บทท 20

ฟสกสนวเคลยร (NUCLEAR PHYSICS)

จากพฒนาการของวทยาศาสตรนวเคลยร วสดศาสตร เทคโนโลย คอมพวเตอร และ

เครองมอในหองปฏบตการ ทาใหนกวทยาศาสตรคนพบรายละเอยดของโครงสรางภายในอะตอมเพมขนอยางมากมาย สามารถสรปจากเหตผลทางทฤษฎและความจรงเชงประจกษทพบจากหองปฏบตการ เกดเปนแบบจาลองของโครงสรางอะตอมทเดนชดคอ

1. องคประกอบพนฐานทเลกทสดซงแสดงสมบตเฉพาะของธาตทกชนดเรยกวา อะตอม (atom) โดยอะตอมประกอบดวยนวเคลยสอยทจดศนยกลาง มอนภาคอเลกตรอน (electron) เคลอนทอยโดยรอบ ดงรปท 20.1 และสวนทแสดงสมบตเฉพาะทางเคมของธาตคอจานวนอนภาคอเลกตรอน ธาตแตละธาตแตกตางกนทจานวนโปรตอนหรอเลขเชงอะตอม

รปท 20.1 แสดงองคประกอบพนฐานของอะตอม

2. ภายในนวเคลยสประกอบดวยอนภาคมลฐานมากกวา 200 อนภาค เพอใหเกดความสะดวกและงายตอการเรมตนศกษา จงนาอนภาคมลฐานมาพจารณาในเบองตนเพยง 3 ชนดคอ

2

อนภาคโปรตอน อนภาคนวตรอน และอนภาคอเลกตรอน (ตอจากนไปจะเรยกชออนภาคมลฐานตรงๆ โดยไมใสคาวา อนภาคนาหนาเพอลดขอความลง) โดยอเลกตรอนมประจไฟฟาเปนลบโปรตอนมประจไฟฟาเปนบวก สวนนวตรอนไมมประจไฟฟา ตามปกตแลวอะตอมจะมจานวนโปรตอนเทากบจานวนอเลกตรอน ทาใหประจรวมเปนศนยหรอเปนกลางทางไฟฟา ดงรปท 20.2

รปท 20.2 แสดงจานวนโปรตอนและอเลกตรอนของธาตทเปนกลาง

3. โปรตอนและนวตรอนในนวเคลยสรวมกนเรยกวานวคลออน (nucleon) โดยมอเลกตรอนโคจรอยรอบนวเคลยสในลกษณะของหมอกอเลกตรอน (electron cloud) ซงเปนความหนาแนนของโอกาสทจะพบอเลกตรอนสงมากทบรเวณตาแหนงของวงโคจร

4. ในอะตอมของธาตทเปนกลางนน จานวนโปรตอนจะตองเทากบจานวนอเลกตรอนและถาเปนธาตตางชนดกนเลขจานวนดงกลาวจะตางกน โดยเรยกจานวนโปรตอนวา เลขเชงอะตอม (atomic number : Z) สวนจานวนนวตรอนเรยกวา เลขนวตรอน (neutron number : n) และจานวนนวคลออน ซงเปนผลรวมของจานวนโปรตอนกบนวตรอนเรยกวา เลขมวล (mass number : A) หรอมวลเชงอะตอม (atomic mass : A) ซงจานวนนวตรอนในนวเคลยสเขยนแทนดวยสมการพนฐานคอ ZAn −=

5. อะตอมทระบสมบตของนวเคลยสและแสดงจานวนโปรตอนและนวตรอนอยางชดเจนเรยกวา นวไคลด (nuclide) เขยนแทนดวยสญลกษณ XA

Z หรอ AZ X หรอ XA เมอ X เปน

สญลกษณทางเคมของธาตใดๆ เชน Li73 เปนนวไคลดของลเทยมทมจานวนโปรตอน 3 อนภาค

นวตรอน 4 อนภาค และมนวคลออนหรอ เลขมวลเทากบ 7 โดยธาตแตละชนดจะมจานวนโปรตอนหรอเลขเชงอะตอมตางกน

6. ขนาดของนวเคลยสเลกมากเมอเทยบกบขนาดของอะตอม โดยอะตอมมรศม เฉลยประมาณ m10 10− สวนนวเคลยสมรศมเฉลยประมาณ m10 15− ดงนน ขนาดของ

อะตอมจงมากกวาขนาดของนวเคลยสประมาณ 510 เทา ดงรปท 20.3

3

รปท 20.3 แสดงขนาดของอะตอมและขนาดของนวเคลยส

ดงนนมวลเกอบทงหมดของอะตอมสวนใหญจงอดแนนอยในนวเคลยส โดยนวเคลยสมความหนาแนนประมาณ 314 m/ton10 ดงนน พนทสวนใหญของอะตอมจงเปนทวางซงมอเลกตรอนทมมวลนอยมากเคลอนทอยในทวางรอบๆ นวเคลยส สวนภายในโปรตอนและนวตรอนประกอบ ดวยอนภาคมลฐานทมขนาดเลกลงไปอกเรยกวา ควารก (quark) ซงมขนาดเลกใกลเคยงกบขนาดของอเลกตรอน

รปท 20.4 แสดงอนภาคมลฐานซงเปนสวนประกอบของสสาร

4

รปท 20.5 ภายในนวตรอนและโปรตรอนในนวเคลยสประกอบดวยอนภาคทเลกกวา

เรยกวาควารกซงเกาะตดกนดวยอนภาคเลกลงไปอกเรยกวา กลออน (gluon)

รปท 20.6 แสดงอปควารก (up quark) และดาวนควารก (down quark)

รปท 20.7 แสดงอปควารก 2 ตว และดาวนควารก 1 ตว ซงเปนองคประกอบของโปรตอน

ภายในโปรตอนและนวตรอนประกอบควารก 2 ชนด ไดแก อปควารกและดาวนควารก โดยอปควารกมประจ 3/2+ สวนดาวนควารกมประจ 3/1−

โปรตอนประกอบดวย 2 อปควารกและ 1 ดาวนควารกจงมประจเทากบ

131

32

32

+=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛−+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛++⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛+

5

รปท 20.8 แสดงอปควารก 1 ตวและดาวนควารก 2 ตวซงเปนองคประกอบของนวตรอน

ตารางท 20.1 แสดงสมบตของอนภาคมลฐานซงเปนองคประกอบของอะตอม

ชอ สญลกษณ มวล (kg)

มวล (u)

พลงงาน(MeV)

ประจ (C)

รศม (m)

อเลกตรอน e,e 01−

31101095.9 −×

0.000548 0.511 - e 15108.2 −× *

โปรตอน H,p 11

271067265.1 −×

1.007276 938.22 + e 151045.1 −× **

นวตรอน n,n 10

271067495.1 −×

1.008665 939.23 0 151045.1 −× ***

ทมา : ศลกษณ ทรรพนนทน. 2527 : หนา 25

* หาจาก m108.2cm4

er,cm)r/e(4

1 152

e0

22

e2

0

−×=πε

==πε

** หาจาก 3/10ARR = , เมอ 1A = , 0R ไดจากกระบวนการกระเจง m1045.1 15−×=

***หาจาก 3/10ARR = , เมอ 1A = , 0R ไดจากกระบวนการกระเจง m1045.1 15−×=

นวตรอนประกอบดวย 1 อปควารก และ 2 ดาวนควารก จงมประจเทากบ

031

31

32

=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛−+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛−+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛+

6

20.1 การคนพบกมมนตภาพรงส (Discovery of Radioactivity)

ในป พ.ศ.2438 เรนทเกน (Roentgen) ไดศกษาสมบตของรงสแคโทดในหลอดปลอยประจชนดหนงทใชอะลมเนยมเปนหนาตาง และในวนท 8 พฤศจกายน พ.ศ.2438 ขณะทเขาทาการทดลองตอหลอดปลอยประจอยในหองมด โดยใชแผนกระดาษการดสดาปดกนหลอดปลอยประจเอาไว เขาสงเกตเหนกระดาษการดแผนหนงซงเคลอบดวยสารประกอบบาเรยม พลาตไซยาไนดเกดการเรองแสงขน และจากผลการตรวจสอบ เขาคด วเคราะห และสรปผลการทดลองไววา ขณะทจายกระแสไฟใหหลอดปลอยประจนน มรงสทมองไมเหนเกดขนดวย เขาตงชอรงสนนวา รงสทไมรหรอรงสเอกซ (x = unknown) ซงเปนรงสชนดแรกทถกคนพบและการคนพบนนาความตนตวมาสวงการวทยาศาสตรอยางใหญหลวง

รปท 20.9 เรนตเกน

เรนทเกนนาเสนอผลการวจยนเมอวนท 28 ธนวาคม พ.ศ.2438 โดยอธบายสมบตของรงสเอกซทเกดขนอยางถถวน 17 ประการ และ ในวนท 9 มกราคม พ.ศ. 2439 เขานาเสนอสมบตของรงสเอกซทคนพบเพมเตมอก 4 ประการ

ตอมาในวนท 23 มกราคม พ.ศ.2439 เขาแสดงปาฐกถาพรอมกบสาธตเรองราวของการคนพบรงสเอกซใหแกนกวทยาศาสตรผทรงคณวฒ ณ สมาคมวทยาศาสตรกายภาพ และไดทาการสาธตโดยเอกซเรยมอของผเขาฟงปาฐกถาใหเหนอยางเดนชดดวย ในโอกาสนนไดมผเสนอใหเรยกรงสเอกซวา รงสเรนตเกน (roentgen rays) แตเขาไมยอมรบ (อยางไรกตาม ในภาษาเยอรมนปจจบนเรยกรงสเอกซวา รงสเรนตเกน)

7

รปท 20.10 แสดงการเกดรงสเอกซ

ฮงร ปวงกาเร (Henri Poincare) แจงรายละเอยดการคนพบของเรนตเกนไปยงสถาบนวทยาศาสตรแหงประเทศฝรงเศสเมอวนท 20 มกราคม พ.ศ. 2439 โดยตงสมมตฐานวารงสเอกซมความสมพนธกบแสงเรองสเขยวซงเกดขนขางหลอดปลอยประจ เขาเสนอแนะใหแบกเกอแรล (Becquerel) ทาการศกษาคนควาดวามรงสเอกซเกดจากสารบางอยางไดหรอไม เชนจากผลกเกลอแรบางชนดซงสองแสงเรองๆ เมอไดรบแสงอาทตย ในขณะทแบกเกอแรลมผลกของสารดงกลาวอยเปนจานวนมากจากการศกษาคนควาของบดาของเขาเกยวกบการเรองแสง (phosphorescent) ของวตถ โดยผลกเกลอแรบางชนดเมอไดรบแสงอาทตยจะเกดการเรองแสงขน เขาสนใจวา แสงเรองจากผลกเกลอแรดงกลาวอาจทาใหเกดรงสเอกซได

รปท 20.11 แบกเกอแรล

8

จงทาการทดลองเพอศกษาคนควาหาความจรง โดยนาผลกเกลอยเรเนยม (uranium salts crystal) ไปวางบนกระดาษสดาทหอกระจกถายรป แลวนาไปวางกลางแสงอาทตยนานสชวโมง จากนนนากระจกถายรปไปลางพบภาพของผลกเกลอยเรเนยมปรากฏอยบนกระจกถายรป เขาสรปการคนพบไวเมอวนท 24 กมภาพนธ พ.ศ. 2439 วา มรงสทมอานาจทะลทะลวงคลายกบรงสเอกซของเรนตเกน จากนนจงเขาทาการทดลองตอไปโดยนาแผนโลหะบางๆ วางคนระหวางกระจกถายรปกบผลกเกลอยเรเนยม บงเอญชวงนนทองฟาปดไมมแสงอาทตย เขาจงนาไปเกบไวในลนชกโตะ หลายวนตอมาอากาศยงไมดขน เขาจงลางกระจกถายรปในวนท 1 มนาคม พ.ศ. 2439 โดยคดวาแสงอาทตยททะลเมฆลงมาอาจมากพอทจะทาใหเกดรอยดาจางๆ แตบนกระจกถายรปกลบพบภาพของผลกเกลอยเรเนยมอยางชดเจน ดวยความแปลกใจทผลกเกลอยเรเนยมทาใหเกดภาพขนมาได เขาจงทาการทดลองตอไปแลวพบความจรงวา เกลอยเรเนยมบางชนดใหรงสซงมอานาจทะลทะลวงโดยไมตองใหถกแสงอาทตยเลย หรอกลาวอกนยหนงไดวา รงสดงกลาวมแหลงกาเนดเกดจากเกลอยเรเนยมซงเกดขนไดเอง โดยไมเกยวของกบแสงอาทตยเลย เขาเรยกรงสทเกดขนไดเองนนวา รงสยเรเนยม

รปท 20.12 แสดงการทดลองของแบกเกอแรล

เขาทาการทดลองในทมดซาอก โดยนาแผนอะลมเนยมวางคนระหวางผลกเกลอยเรเนยมกบกระจกถายรปแลวพบวา รงสยเรเนยมสงออกมาจากผลกเกลอยเรเนยมทะลแผนอะลมเนยมและเกดภาพของผลกเกลอยเรเนยมบนกระจกถายรป สรางความประหลาดใจอยางยงใหกบเขา เขาสงผลการคนพบดงกลาวไปยงสถาบนวทยาศาสตรแหงประเทศฝรงเศสเมอวนท 2 มนาคม พ.ศ. 2439 โดยเขาเชอวา รงสยเรเนยมเปนสงเดยวกบรงสเอกซ แตเขาอธบายไมไดวา ผลกเกลอยเรเนยมสงรงสออกมาไดอยางไร นนคอ แบกเกอแรลคนพบสงใหมทยงไมมใครพบมากอนคอ ผลกเกลอยเรเนยมสามารถแผรงสไดเอง โดยไมตองกระตนดวยแสงอาทตยเลย และถงจะไมถกกระตนดวยแสงอาทตยเปนเวลานานหลายเดอนยงสงเกตพบวา มนยงแผรงสออกมาไดเองและรงสนมลกษณะคลายกบรงสเอกซ เขามนใจวาการแผรงสนไมไดเกดการเรองแสงเนองจากถก

9

แสงอาทตย แตเกดจากภายในของเกลอยเรเนยมเองซงมสมบตทสาคญคอ สามารถแผรงสออกมาไดเองตามธรรมชาตและพบวา การแผรงสนเปนสดสวนโดยตรงกบความเขมขนของยเรเนยม โดยไมขนกบสงแวดลอมภายนอกเชน อณหภม สนามไฟฟา สนามแมเหลก ความดน และองคประกอบทางเคม นาไปสผลสรปวา การแผรงสของผลกเกลอยเรเนยมไมขนกบสงแวดลอมภายนอก แตเปนคณลกษณะ เฉพาะภายในนวเคลยสของผลกเกลอยเรเนยมเอง

การคนพบการแผรงสของผลกเกลอยเรเนยมของแบกเกอแรล ทาใหนกวทยาศาสตรเกดความสงสยวา ธาตอนๆ จะมสมบตของการแผรงสเชนเดยวกบธาตยเรเนยมหรอไม

ป พ.ศ. 2441 ปแอร กร และ มาร กร (Pierre Curie & Marie Curie) ไดศกษาแรธรรมชาตทเรยกวา พตชเบลนด (Pitchblende) ซงเปนแรทมสวนผสมของยเรเนยม และใหรงสแรงมาก หลงจากทสกดยเรเนยมออกจากพตชเบลนดหมดแลวพบวา พตชเบลนดทเหลอยงมการแผรงสอยและใหรงสแรงกวายเรเนยม กรจงสรปวา ยงมธาตอนทแผรงสไดอกแฝงอยในพตชเบลนดทเหลอ เมอสกดแยกสวนทใหรงสแรงๆ ออกมาไดธาตใหมคอ พอโลเนยม (polonium) กรเรยกสารทสามารถแผรงสไดเองวา สารกมมนตรงส (radioactive substance) ซงมกจะเรยกกนทวไปวา ธาตกมมนตรงส (radioactive element) และเสนอใหใชชอรงสทแผออกมาจากธาตกมมนตรงสวา กมมนตภาพรงส (radioactivity)

ในป พ.ศ. 2445 หลงจากสกดเอาพอโลเนยมออกจากพตชเบลนดหมดแลวพบวา พตชเบลนดทเหลอยงแผรงสออกมาไดอก จงสรปวา ยงมธาตอนทแผรงสไดอกในพตชเบลนด ทเหลอ จงสกดออกมาไดเปนธาตกมมนตรงสใหมอกชนดหนงคอ เรเดยม (radium)

รปท 20.13 ปแอร แมร กร

จากผลการแยกเรเดยมซงเปนธาตใหมและการวดนาหนกเชงอะตอม (atomic weight) ทาใหมาร กร ไดรบรางวลโนเบลในสาขาเคมอกครงหนงในป พ.ศ. 2454 และตอมาในระยะ 20 ปแรกภายหลงจากการคนพบกมมนตภาพรงส เขาทงสองและนกวทยาศาสตรคนอนๆ ไดคนพบธาต

10

กมมนตรงสทมอยในธรรมชาตซงเปนธาตกมมนตรงสซงหนกกวาตะกวทมเลขมวล 206 และเลขเชงอะตอม 82 กรเปนผศกษาสมบตของกมมนตภาพรงสมากทสดคนหนงในสมยนน โดยใช อเลกโทรสโกป (electroscope) ดงรปท 20.14

รปท 20.14 อเลกโทรสโกป

อเลกโทรสโกปมหลกการทางานคอ โลหะแผนบาง (foil leaves) จะกางออกเมอมประจไฟฟาเขาไปในอเลกโทรสโกป แตถานาธาตกมมนตรงสเขาไปใกลกบอเลกโทรสโกป ธาตกมมนตรงสจะแผกมมนตภาพรงสทาใหอากาศแตกตวเปนไอออน (ion) เมอไอออนเขาไปในอเลกโทรสโกปจะทาใหโลหะแผนบางหบตวลง การทดลองดวยอเลกโทรสโกปดงกลาว ทาใหกรคนพบธาตกมมนตรงสอนๆ อก ไดแก ธอเรยม (thorium) แอกตเนยม (actinium) หลงจากการคนพบธาตกมมนตรงส นกวทยาศาสตรสวนใหญตองการทราบวา กมมนตภาพรงสมสมบตทสาคญอยางไรบาง โดยมงศกษาใน 3 ประเดน คอ

11

20.1.1 การเบนของรงสภายใตอทธพลของสนามแมเหลกและสนามไฟฟา

(Deflection of Rays Beneath the Influence of Magnetic and Electric Field)

รปท 20.15 รทเทอรฟอรด

รทเทอรฟอรด (Rutherford) สนใจสมบตของรงสเอกซของเรนตเกนและรงสยเรเนยมของแบกเกอแรลมาก ในป พ.ศ. 2446 เขาทาการทดลองโดยผานกมมนตภาพรงสทไดจาก ธาตยเรเนยมเขาไปในสนามไฟฟา ดงรปท 20.16 และสนามแมเหลก ดงรปท 20.17

รปท 20.16 แสดงการเบนของรงสแอลฟา บตา และแกมมาในสนามไฟฟา

12

รปท 20.17 แสดงการเบนของรงสแอลฟา บตา และแกมมาในสนามแมเหลก พบวามรงสชนดหนงเบนเขาหาขวบวกของสนามไฟฟาและเบนเขาหาขวเหนอของสนาม แมเหลกรงสนคอ กลมของอนภาคทมประจไฟฟาลบซงมอตราสวนของประจตอมวลเทากบประจตอมวลของอเลกตรอนทคนพบโดยทอมสน แสดงวา มนมสมบตคลายกบอเลกตรอนทพงออกมาจากยเรเนยมดวยความเรวสงมาก จงใหชอรงสนวา รงสบตา (beta rays : β ) มรงสอกชนดหนงซงเบนเขาหาขวลบของสนามไฟฟาและเบนเขาหาขวใตของสนามแมเหลก แสดงวา รงสนมประจไฟฟาบวก จงใหชอรงสนวา รงสแอลฟา (alpha rays : α )

พอล วยาร (Paul Villard) พบรงสชนดทสามซงแผออกมาจากยเรเนยม รงสนมอานาจทะลทะลวงสงกวารงสบตาแตไมมการเบนในสนามแมเหลกและสนามไฟฟาเลย แสดงวามนเปนรงสทไมมประจไฟฟาและไมมมวล ในตอนแรกเขาไมแนใจวา มนเปนอนภาคทไมมประจหรอคอรปแบบหนงของการเคลอนทของคลน แตในปจจบนทราบกนอยางเดนชดวา รงสแกมมา (gamma rays : γ ) คอ คลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลนสนมาก โดยมความยาวคลนอย

ในชวง 0.5–0.005oA

13

20.1.2 อานาจทะลทะลวงของกมมนตภาพรงสในสสาร (Penetrating Power of Radioactivity in Matter)

สมบตทสาคญอกอยางหนงของกมมนตภาพรงสคอ อานาจทะลทะลวง รทเทอรฟอรดนายเรเนยมชนเลกๆ เขาใกลหองการแตกตวเปนไอออน (ionisation chamber) แลวจดปรมาณกระแสไฟฟาซงเกดจากรงสยเรเนยม การทดลองดงกลาวเปนวธวดจานวนไอออนซงเกดจากกมมนตภาพรงสททาใหอากาศแตกตวเปนไอออนในหองการแตกตวเปนไอออน แสดงวา รงสยเรเนยมประกอบดวยรงสองคประกอบซงแตกตางกนอยสองชนดเพราะเมอเอาแผนกระดาษกนระหวางหองการแตกตวเปนไอออนกบยเรเนยม กระแสไฟฟาจะลดลงอยางรวดเรว จากผลการทดลองพบวา มนถกกนใหหยดไดโดยแผนกระดาษธรรมดา 1–2 แผน หรอถกกนใหหยดไดดวยแผนอะลมเนยมหนาเพยง 0.006 cm หรอทะลผานผวหนงไดเทานน และมนจะเคลอนทไปในอากาศไดไมไกลเกน 9 cm แตเมอรงสแอลฟาชนอะตอมหรอโมเลกลของวตถใดจะทาใหอเลกตรอนหลดออกมาเปนสาเหตใหเกดไอออนขน นนคอ รงสสวนใหญซงทาใหเกดการแตกตวเปนไอออนนนจะถกกระดาษหรอผวหนงหนาประมาณ 0.02 cm ดดกลนจนหมดคอ รงสแอลฟา ดงรปท 20.18

รปท 20.18 เปรยบเทยบอานาจทะลทะลวงของรงสแอลฟา บตา และแกมมา

สวนรงสอกชนดหนงซงมอานาจทะลทะลวงมากกวารงสแอลฟา โดยสามารถทะลเขาในเนอเยอได 1-2 cm และทะลผานกระดาษไปไดคอ รงสบตา ตามปกตรงสบตาจะถกกนใหหยดไดโดยใชชนโลหะบางๆ เชน แผนอะลมเนยม 2–3 แผนหรอไมหนาประมาณ 10 cm ดงรปท 20.18 สาหรบการหยดรงสแกมมาตองใชแผนตะกวหนาๆ หรอแทงคอนกรตหนาประมาณ 50 cm และพบวา รงสแกมมามสมบตคลายกบรงสเอกซ นนคอ อานาจทะลทะลวงของรงสแตละชนดขนกบพลงงานและมวล โดยรงสแอลฟาซงม

14

มวลมากจะมอานาจทะลทะลวงตากวารงสบตาซงมมวลนอยกวา และรงสบตามอานาจทะลทะลวงตากวารงสแกมมา

20.1.3 การทาใหแกสแตกตวเปนไอออน

ในป พ.ศ. 2446 รทเธอรฟอรดศกษาการเบนของรงสแอลฟาพบวา อตราสวนของประจตอมวล (q/m) ของรงสนอยางหยาบๆ เปนหนงสวนพนเทาของรงสบตา และคดวธการนบอนภาคแอลฟาแตละตว และวดประจทงหมดทไดจากจานวนของอนภาคเหลานน จงสามารถหาประจตอมวลของอนภาคได และจากการทราบคาประจตอมวลจะหามวลของอนภาคได ปรากฏวา รงสแอลฟามมวลมากกวาอเลกตรอนมากและมประจเปน 2 เทาของประจอเลกตรอน แสดงวาอนภาคแอลฟาคอ นวเคลยสของอะตอมของฮเลยม โดยพสจนไดดวยการทดลองของรทเทอรฟอรดและรอยด (Royds)

รปท 20.19 เครองสาเรจของรทเทอรฟอรดและรอยดซงใชพสจนยนยนวา รงสแอลฟาคอ นวเคลยสของฮเลยม

เครองสาเรจของรทเทอรฟอรดและรอยดนนใหความตางศกยไฟฟาสงๆ กระทาระหวางขวไฟฟา (electrode) แลวทาการทดลอง ดงน

1. ใสธาตกมมนมนตรงสทเปนแกสเขาไปในหลอดแกวผอมบาง A ภายใตความดนของปรอท 2M โดยวาง A ไวตรงกลางของหลอดแกว B ซงภายในเปนสญญากาศ รงสแอลฟาทแผออกมาจากธาตกมมนตรงสในหลอดแกว A จะทะลผานผนงของหลอดแกว A เขาไปสะสมในหลอดแกว B แลวปลอยใหเครองสาเรจอยในสภาพน 2–3 วน แลวกลบมาทาการทดลองตอโดยยกปรอท 1M ใหสงขน ทาใหแกสทสะสมอยในหลอดแกว B และในหลอดแคบ V เปลงแสง

15

ออกมา และสงเกตพบวา มเสนสเปกตรมของฮเลยมปรากฏขน การทดลองนยนยนวา รงสแอลฟาซงทะลผานผนงของหลอดแกว A เขาไปสะสมอยในหลอดแกว B จบยดอเลกตรอน 2 ตวกลายเปนอะตอมของฮเลยม 2. เมอใสแกสฮเลยมเขาไปในหลอดแกว A แลวปลอยใหเครองสาเรจอยในสภาพน 2–3 วน เมอกลบมาทาการทดลองใหมกไมพบแกสฮเลยมทะลจากผนงของหลอดแกว A เขาไปสะสมในหลอดแกว B แสดงวา รงสแอลฟาสามารถทะลผานผนงของหลอดแกว A เขาไปสะสมอยในหลอด B ได แตแกสฮเลยมทาไมได จงสรปผลการทดลองไววา 1) รงสแอลฟาคอนวเคลยสของฮเลยม ซงมมวลเปน 4 เทาของไอออนของไฮโดรเจนอะตอม รงสแอลฟาจงมมวลเทากบ 4u )kg1066.14u4( 27−××= 2) เมอใชเครองนบไกเกอร (Geiger counter) วดประจไฟฟาพบวา รงสแอลฟามประจไฟฟาเทากบ 2 เทาของอเลกตรอน )C106.12e2( 19−××+=+ แสดงวา รงสแอลฟาเปนอะตอมของฮเลยมซงถกทาใหแตกตวเปนไอออน และเปนรงสทมสมบตของอนภาค จงเรยกปนกนไประหวางคาวา รงสแอลฟาหรออนภาคแอลฟา

จากการศกษารงสแอลฟา บตา และแกมมา สรปเปนสมบตตางๆ ของรงสทงสามได ดงน

รงสแอลฟา

รปท 20.20 รงสแอลฟาหรออนภาคแอลฟา

1. เปนนวเคลยสของอะตอมของฮเลยม )He(42 ประกอบดวยโปรตอน 2 อนภาคและ

นวตรอน 2 อนภาค จงมประจเปน e2+ และมมวล 4 u โดยทโปรตอนและนวตรอนแตละตวมมวลอยางละ 1 u รงสแอลฟาจงมสมบตเปนอนภาค บางครงจงเรยกวาอนภาคแอลฟา

16

(alpha particle) โดยอนภาคแอลฟาถกปลดปลอยออกมาจากการสลายของนวเคลยสของธาตกมมนตรงสทมขนาดใหญดวยพลงงานตางๆ กน

2. มพลงงานประมาณ 6–7 MeV แตมความเรวตาโดยเคลอนทดวยความเรวประมาณ 19,200 km/s หรอ 1 ใน 15 เทาของความเรวของแสง

3. มมวลมากและมขนาดใหญเมอเทยบกบรงสชนดอนๆ จงไมสามารถทะลผานวตถไดงายเหมอนอนภาคอนๆ จงมอานาจทะลทะลวงตาโดยถกกนใหหยดไดดวยกระดาษเพยง 1–2 ชน หรอทะลผานไดเพยงแคผวหนงเทานนและโดยปกตมนจะเคลอนทไปในอากาศไดไมเกน 9 cm

4. มประจสง จงมความสามารถในการกอไอออนสงมากและถายเทพลงงานใหกบตวกลางไดดเมอเทยบกบรงสชนดอนๆ เมอมนชนกบอะตอมหรอโมเลกลของวตถใดจะทาใหอเลกตรอนหลดออกมาเปนสาเหตใหเกดไอออน โดยสามารถทาใหสารทมนเคลอนทผานแตกตวเปนไอออนไดด จงเสยพลงงานออกไปจากตวมนอยางรวดเรว

รงสบตา

รปท 20.21 รงสบตาหรออนภาคบตา

1. คอ อเลกตรอนทมาจากการสลายของอนภาคมลฐานนวเคลยส มใชอเลกตรอนทเคลอนทรอบนวเคลยส จงมประจไฟฟา e1− และมมวลเทากบมวลของอเลกตรอน รงสบตา

ม 2 ชนดดวยกนคอ อเลกตรอน )e( 01− ซงเปนอนภาคทมประจลบและโพซตรอน )e( 0

1+ ซงเปนปฏยานภาค (antiparticle) ของอเลกตรอนซงมนมประจบวกเทากบประจของโปรตอน โดยมวลนง (rest mass) ของอเลกตรอนและโพสตรอนมขนาดเทากน เมออเลกตรอนชนกบโพสตรอน จะเกดการลบลาง (annihilation) ซงมวลสารของมนจะเปลยนรปเปนพลงงานทงหมด

2. มพลงงานประมาณ 1 MeV แตมนเคลอนทดวยความเรวสงกวาความเรวของอนภาคแอลฟาถงกวาสบเทา กลาวคอ มความเรวประมาณ 192,000 km/s หรอ 2/3 เทาของความเรวของแสงหรออาจจะมากกวาน

17

3. มมวลนอยและมขนาดเลก โดยมนมมวลเทากบ 0.000549 u บางครงจงกลาววา มนมมวลเปน 0 (ประมาณ 1/1,836 เทาของโปรตอน) เนองจากมนมขนาดเลกและเคลอนทดวยความเรวสง จงสามารถทะลทะลวงวตถหนาไดดกวาอนภาคแอลฟา โดยสามารถทะลเขาในเนอเยอได 1–2 cm ซงเทยบเทากบความหนาของฝามอของเราและเราอาจจะกนอนภาคเบตาไดดวยชนโลหะบางๆ อนภาคบตาสามารถทะลผานนาไดลกประมาณ 1 นว และวงผานไปในอากาศไดประมาณ 0.5 m

4. มความสามารถในการกอไอออนสง (แตตากวารงสแอลฟา)

รงสแกมมา

รปท 20.22 รงสแกมมา

1. เปนรงสทเปนกลางทางไฟฟาจงไมเบนในสนามแมเหลกและสนามไฟฟา เกดจากนวเคลยสของธาตกมมนตรงสทแผรงสแอลฟาและบตาแลวนวเคลยสยงอยในสถานะถกกระตน (excited state) ซงไมเสถยร (unstable) โดยยงมพลงงานสงกวาปกต ซงจะสลายไปยงสถานะถกกระตนทตากวาหรอสถานะพน (ground state) โดยทนวเคลยสดงกลาว มพลงงานไมเพยงพอทจะปลดปลอยอนภาคอนออกมาได จงเกดกระบวนการไดเพยง เปลยนระดบพลงงานของนวเคลยสจากสถานะทมพลงงานสง Ei ไปยงสถานะทมพลงงานตา Ef โดยการปลดปลอยพลงงาน fi EEE −=∆ ออกมาดวยกระบวนการตางๆ เชน การปลดปลอยรงสแกมมาออกมา หรอการเปลยนภายใน หรอวธอนๆ และสงเกตพบวา มการปลดปลอยรงสแกมมาออกมามากกวาวธอน ซงคลายกบการปลดปลอยโฟตอนออกมาจากอะตอมทถกกระตน แตพลงงานสวนมากของรงสแกมมาทปลดปลอยออกมาจากนวเคลยสจะมากกวาพลงงานของโฟตอนในบรเวณของสเปกตรมทเรามองเหนประมาณ 104–106 เทา โดยพลงงานของรงสแกมมาทปลดปลอยออกมาจากนวเคลยส เขยนแทนดวยสมการ )/c(hhEEE fi λ=ν=−=∆จงแผรงสออกมาในรปของโฟตอนหรอคลนแมเหลกไฟฟาเพอลดระดบพลงงานลง โดยรงสแกมมาจะไมทาใหเลขเชงอะตอมหรอเลขมวลของนวเคลยสเปลยนไป ซงรงสแกมมาทปลดปลอย

18

ออกมามความยาวคลนสนมาก โดยมคาอยระหวาง m1010 1311 −− − หรอกลาวอกนยหนงไดวา มความถสงกวารงสเอกซ แตเปนรงสทไมมประจไฟฟา 2. มพลงงานประมาณ 0.1–10 MeV และเคลอนทดวยอตราเรวเทากบแสง คอ ประมาณ 297,600 km/s

3. ไมมสมบตของอนภาค (ไมมมวล) จงมอานาจทะลทะลวงมากทสดในบรรดารงสทงสามชนด มสมบตคลายกบรงสเอกซ คอ สามารถทะลผานรางกายมนษยหรอเนอวตถหนามากๆ เชน ไม หรอ โลหะได และยงพบวา มอานาจทะลทะลวงสงกวารงสเอกซ จากการทดลองพบวา รงสแกมมาสามารถทะลผานคอนกรตไดหนาประมาณ 50 cm แตจะสามารถดดซบไดหมดในคอนกรตหนาประมาณ 1 m สามารถทะลผานแผนอะลมเนยมทหนาหลายเซนตเมตรได การกาบงรงสแกมมาตองใชวสดทมความหนาแนนสง เชน ตะกว หรอ ยเรเนยม เปนตน

4. ไมทาใหอะตอมอนแตกตวเปนไอออนหรอกลาวอกนยหนงไดวา มความสามารถในการกอไอออนตา เมอเทยบกบรงสบตาและรงสแกมมา เมอรงสแกมมามอนตรกรยา กบสสารจะเกดกระบวนการหลายแบบ โดยกระบวนการสาคญทรงสแกมมาหรอโฟตอนสญเสยพลงงานของมนไปโดยมอนตรกรยากบสสาร แบงตามระดบพลงงานเปน 3 ชวง คอ

ชวงท 1 ปรากฏการณโฟโตอเลกทรกเกดในยานพลงงานตาระหวาง∼ 0.01 MeV ถง ∼ 0.5 MeV

ชวงท 2 ปรากฏการณคอมปตนเกดในยานพลงงานปานกลางระหวาง ∼ 0.1 MeV ถง ∼ 10 MeV

ชวงท 3 การผลตคเกดในยานพลงงานสงตงแต 1.02 MeV ขนไปโดยกระบวนการทงสามนตางเปนอสระไมขนตอกน

19

ตารางท 20.2 แสดงสมบตของรงสแอลฟา บตา และแกมมา

รงสหรออนภาคแอลฟา

รงสหรออนภาคบตา รงสแกมมา

ธรรมชาตของรงส นวเคลยสของฮเลยม

อเลกตรอน โฟตอนพลงงานสง

สญลกษณ α42

42 หรอHe β−−

01

01 หรอe γ

มวล 4.003 u

kg1064.6 27−× 0.00055 u

kg1011.9 31−× 0

ประจ +2e -1e 0

ประจตอมวล 48,230 C/kg 71077.1 × C/kg 0

อตราเรว 0.1c 0.9c 1.0c

อานาจในการทาใหอะตอมแตกตวเปนไอออนสมพทธ 10 1 1

อานาจทะลทะลวง 1 100 เทาของแอลฟา 10,000 เทาของแอลฟา

ระยะสงสดทรงสผานไปใน 1. อากาศแหง 2. เนอเยอสตว 3. ตะกว

4 cm

0.05 mm 0

6–300 cm 0.06–4 mm

0.005–0.3 mm

400 m 50 cm 30 mm

พลงงาน 2,500 MeV 100 MeV 1 MeV

กนรงสใหหยดไดดวย กระดาษบางๆหรออากาศหนา

2–7 cm

อะลมเนยมหรออากาศหนา 1–3 m

ตะกวหรอแผนอะลมเนยมหนา 1 cm

ทมา : http://www.creation-science-prophecy.com/intro-atomic.htm

20

แบบฝกหด 20.1 การพบกมมนตภาพรงส

คาสง จงกาเครองหมาย X ทบตวเลอก ก ข ค ง ทเหนวาเปนคาตอบทถกตองทสด 1. การแผกมมนตรงสตามธรรมชาต หมายถงปรากฏการณในขอใด

ก. การทธาตกมมนตรงสเปลยนระดบพลงงานอะตอมจากสงลงมาตา ข. การทนวเคลยสของธาตสลายแบบทเกดขนเอง และแผรงสออกมา ค. การทอนภาคนวตรอนวงดวยความเรวสงเขาชนนวเคลยสของธาตแตกสลาย ง. การทธาตใดๆ เปลยนสภาพไอโซโทปหนงไปเปนอกไอโซโทปหนงของธาตเดยวกน

2. เราเรยก radioactive elements ทสามารถแผรงสออกมาไดเองวาธาตอะไร ก. กมมนตภาพ ข. กมมนตรงส ค. กมมนตภาพรงส ง. ถกทกขอ

3. อนภาค α ประกอบดวย ก. 2 โปรตอน ข. 4 โปรตอน ค. 2 โปรตอนกบ 2 นวตรอน ง. 2 โปรตอนกบ 2 อเลกตรอน

4. เมอธาตกมมนตรงสแผกมมนตภาพรงสออกมาจะมการเปลยนแปลงอะไรภายในอะตอมของธาตนนๆ

ก. เปลยนแปลงระดบพลงงานอะตอม ข. เปลยนแปลงวงโคจรของอเลกตรอน ค. เปลยนแปลงภายในนวเคลยสของธาต ง. เปลยนแปลงจานวนอเลกตรอนของอะตอม

5. นกฟสกสเชอวาการแผรงสของธาตกมมนตรงสเกดจาก ก. การเปลยนสภาพของนวเคลยส ข. การลดระดบพลงงานของอะตอม ค. การถายเทพลงงานระหวางนวเคลยสกนเอง ง. การทาปฏกรยาระหวางโฟตอนกบนวเคลยส

21

6. เมอมการแผกมมนตภาพรงสของธาต อาจมการเปลยนแปลงในกรณใด ก. จานวนเลขมวลของอะตอม ข. จานวนเลขเชงอะตอมของธาต ค. ระดบพลงงานของนวเคลยส ง. ถกทกขอ

7. ปรากฏการณขอใดทแสดงวากมมนตภาพรงสทาใหเกดปฏกรยาทางเคม ก. การทะลทะลวงผานสารตางๆ ข. การแตกตวเปนไอออนของอากาศ ค. การเกดรอยดาบนแผนฟลมถายรป ง. การเกดแสงเรองของสารเรองแสง

8. เมอรงสจากธาตกมมนตรงสธรรมชาตเคลอนทผานสนามไฟฟาดงรป จงบอกชอของรงสทตกกระทบบนแผนฟลมเรยงตามลาดบตวเลข

ก. แกมมา แอลฟา บตา ข. แอลฟา บตา แกมมา ค. บตา แอลฟา แกมมา ง. บตา แกมมา แอลฟา

9. พจารณาขอความตอไปน 1. ในการปลดปลอยรงสแกมมาของธาตกมมนตรงส จะไมทาใหเกดธาตใหมเพราะ

2. รงสแกมมาไมมประจ ขอใดถกตอง

ก. ขอ 1 และ 2 ถกและ 2 เปนเหตผลของ 1 ข. ขอ 1 และ 2 ถกและ 2 ไมใชเหตผลของ 1 ค. ขอ 1 ถกแต 2 ผด ง. ขอ 1 ผดแต 2 ถก

22

10. ถารงสแอลฟา บตาและแกมมามพลงงานเทากบ 1 MeV รงสชนดใดจะทะลทะลวงผาน ตวกลางไดดทสดและรงสใดททาใหสารตวกลางแตกตวไดดทสด

ก. บตา ทะลทะลวงไดดทสด แอลฟาทาใหสารแตกตวไดดทสด ข. แอลฟาทะลทะลวงไดดทสด แกมมาทาใหสารแตกตวไดดทสด ค. บตาทะลทะลวงไดดทสด แกมมาทาใหสารแตกตวไดดทสด ง. แกมมาทะลทะลวงไดดทสด แอลฟาทาใหสารแตกตวไดดทสด

11. รงสแกมมามสมบตดงขอใด 1. ไมเบยงเบนในสนามแมเหลก 2. เปนอนภาคทมประจไฟฟาบวก 3. มกาลงในการแตกตวสง 4. มอานาจทะลทะลวงสง ขอใดถกตอง

ก. ขอ 1, 2 และ 4 ข. ขอ 1, 2 และ 3 ค. ขอ 2 และ 4 ง. ขอ 1 และ 4

12. รงสแอลฟามสมบตดงขอใดบาง 1. ไมเบยงเบนในสนามแมเหลก 2. เปนอนภาคทมประจบวก 3. มอานาจทะลทะลวง 4. มความสามารถทาใหแกสแตกตวเปนไอออนไดด ขอใดถกตอง

ก. ขอ 1, 2 และ 4 ข. ขอ 1 และ 3 ค. ขอ 2 และ 4 ง. เฉพาะขอ 4 เทานน ก. 13.

13. สมบตขอใดทใชศกษาสมบตของกมมนตภาพรงส ก. อานาจทะลทะลวง ข. การทาใหแกสแตกตวเปนไอออน ค. ผลทเกดขนเมอผานบรเวณสนามแมเหลกหรอสนามไฟฟา ง. ถกทง ก ข และ ค

23

14. รงสแคโทดตางกบรงสบตา คอ ก. รงสแคโทดมคาประจตอมวลคงตว ข. รงสแคโทดสามารถควบคมดวยสนามแมเหลกและสนามไฟฟาพรอมๆ กน ค. รงสบตาเกดขนเองตามธรรมชาต ง. รงสบตามความเรวไมคงตว

15. พจารณาขอความตอไปน 1. อนภาคแอลฟาสามารถทาใหเกดไอออนในสารทมนผานไปไดดกวาอนภาคบตา 2. อนภาคแอลฟามอตราเรวโดยปกตแลวสงกวาอตราเรวของอนภาคบตา ขอใดถกตอง

ก. ขอ 1 ถก ขอ 2 ถก และ 2 เปนเหตผลของ 1 ข. ขอ 1 ถก ขอ 2 ถก แต 2 ไมเปนเหตผลของ 1 ค. ขอ 1 ถก ขอ 2 ผด ง. ขอ 1 ผด ขอ 2 ถก

16. ในการแยกอนภาค α อนภาค β และรงส γ ทแผออกมาจากธาตกมมนตรงส โดยใหผานบรเวณสนามแมเหลกในทศตงฉากนน มผลดงน

1. อนภาค α และ β เคลอนทเปนทางโคง 2. รงส γ เคลอนทเปนแนวเสนตรง 3. อนภาค α มรศมความโคงมากทสด 4. อนภาค β มรศมความโคงมากทสด ขอใดถกตอง

ก. ขอ 1, 2 และ 3 ข. ขอ 1, 2 และ 4 ค. ขอ 2 และ 3 ง. ขอ 2 และ 4

17. ถาปลอยรงสแอลฟาและบตาทไดจากสารกมมนตรงสเขาไปในทศตงฉากกบสนามแมเหลก พรอมกน โดยทดลองในสญญากาศ ผลทไดควรเปนดงน

ก. รงสทงสองจะเคลอนทในสญญากาศไมไดเพราะตางกเปนอนภาค ข. รงสทงสองจะเคลอนทไดดวยความเรวไมคงตว ค. รงสทงสองจะเคลอนทเปนเสนตรง ง. รงสแอลฟาเบนไปจากแนวเดมไดมากกวารงสบตาในเวลาเทากน

24

18. รงส γ กบรงสเอกซตางกมอานาจทะลทะลวงสงทงค สงทรงสทงสองตางกนคอ ก. รงสเอกซไมมมวล ข. รงสเอกซไมทาใหอากาศแตกตว ค. รงส γ ไมเบยงเบนในสนามแมเหลก ง. รงส γ เกดจากการเปลยนสถานะของนวเคลยส

19. รงสในขอใดทมคาอตราสวน ระหวางประจไฟฟาตอมวล มคานอยทสด ก. รงสแอลฟา ข. รงสบตา ค. รงสแกมมา ง. รงสเนกาตรอน

20. จากการทดลองหากมมนตภาพรงสของสาร โดยวธของแบกเกอแรล ปรากฏวาไมมรอยดา บนฟลม เมอนาฟลมไปลางแสดงวาเปนสารอยางไร

ก. เสถยร ข. เสถยรหรอแผรงสแอลฟา ค. ไมเสถยรหรอแผรงสบตา ง. แผรงสแอลฟาและรงสบตา

21. รงสทแผออกมาจากธาตกมมนตรงส ไดแกรงส α β และ γ ชนดใดทเมอผานไปใน ตวกลางแลวสญเสยพลงงานตอระยะทางนอยทสด

ก. α ข. β ค. γ ง. เทากน

22. จงเลอกขอทถกตอง ก. รงสแอลฟาหรออนภาคแอลฟามมวล 4 u และมประจไฟฟา +2e ข. รงสบตาหรออนภาคบตามอานาจทะลทะลวงประมาณ 100 เทาของอนภาคแอลฟา ค. รงสแกมมามอานาจการทะลทะลวงมากถงประมาณ 100 เทาของรงสบตา ง. ทงขอ ก ข และ ค

23. จานวนนวตรอนในนวเคลยส Al2713 คอ

ก. 13 ข. 14 ค. 27 ง. 40

25

24. สงทไมเบยงเบนในสนามแมเหลกคอ ก. รวสแอลฟาและบตา ข. รงสบตาและแกมมา ค. รงสแกมมาและเอกซ ง. รงสเอกซและแอลฟา

25. ขอความใดมความหมายถกตองมากทสด ก. รงสแอลฟาเปนนวเคลยสของธาตฮเลยม มอานาจการทะลทะลวงอยางรนแรงทสด

ในบรรดารงสทมอยในโลก ข. รงสบตามสภาพเปนกลางทางไฟฟา มอานาจในการทะลผานมากทสด ค. รงสแกมมาเปนอนภาคทมประจไฟฟาเทากบมวลของอเลกตรอนมอานาจทะลผาน

มากกวารงสแอลฟา ง. อนภาคบตา ไมใชอเลกตรอนทวงวนรอบนวเคลยส แตไดจากผลของการเปลยน

สภาพของนวเคลยส

26

20.2 การเปลยนสภาพของนวเคลยส (Nuclear Transformation)

ตามปกตแลวนวเคลยสของธาตกมมนตรงสเปนธาตไมเสถยร (unstable) จะตองมการสลาย (decay or disintetration) ปลดปลอยรงสออกมาเพอลดระดบพลงงานในนวเคลยสลง จนสดทายกลายเปนนวเคลยสของธาตเสถยร (stable) การสลายของธาตกมมนตรงสเปนไปในลกษณะสม (random) ซงกาหนดแนนอนไมไดวา นวเคลยสใดจะสลายเมอใดและเราไมสามารถจะตอบคาถามไดวา นานเทาใดธาตกมมนตรงสจงจะสลายกลายเปนธาตเสถยรหรอธาตธรรมดาซงไมมรงสทงหมด แตเราสามารถคานวณไดวานานเทาใดทธาตกมมนตรงสชนดนนจะลดลงไปเปนเศษสวนเทาใดของปรมาณตอนเรมวด ธาตกมมนตรงสแตละชนดจะมสมบตในการสลายเฉพาะตวเชน อตราการสลาย ชนดของรงส และปรมาณของรงสทแตกตางกนไป

รปท 20.23 แสดงนวเคลยสแม นวเคลยสลก และรงสทมโอกาสเกดขน

การสลายของธาตกมมนตรงสเรมตนจากนวเคลยสแม (parent nucleus : P) ปลดปลอยรงสชนดใดชนดหนงหรอหลายชนดออกมาเชน รงสบตา หรอรงสแอลฟา แลวนวเคลยสแมจะกลายเปนนวเคลยสลก (daughter nucleus : D) ทเกดใหมภายหลงการสลาย โดยนวเคลยสแมจะมจานวนลดลงแตนวเคลยสลกจะมจานวนเพมขน ดงรปท 20.23 เขยนแทนกระบวนการดงกลาวดวยสมการ

รงสDP +→ (20.1)

27

เมอธาตกมมนตรงสแผรงสแอลฟา หรอบตาออกมาจะมธาตใหมเกดขนเสมอ โดยรงสทแผออกมาอาจจะมทงสามชนด ไดแก รงสแอลฟา บตา และแกมมา หรออาจจะใหรงสเพยง 1 ชนด หรอ 2 ชนดตามคณลกษณะเฉพาะของธาตกมมนตรงสแตละชนด กรณทมการแผรงสแอลฟาออกมา โดยเรมจากนวเคลยสแมคอ พลโตเนยม Pu240

94 สลายใหอนภาคแอลฟาแลวกลายเปนนวเคลยสลกคอ ยเรเนยม U236

92 ซงมมวลเชงอะตอมนอยกวาพลโตเนยมเทากบมวลของอนภาคแอลฟาอย 4 u (โดยประมาณ) และประจไฟฟาของนวเคลยสของยเรเนยม มคานอยกวาของพลโตเนยมเนยมอย e2+ ดวย ดงรปท 20.24 เขยนแทนดวยสมการ

HeUPu 42

23692

24094 +→ (20.2)

รปท 20.24 แสดงการแผรงสแอลฟาของพลโตเนยมแลวเปลยนสภาพเปนยเรเนยม

นนคอ อนภาคแอลฟาดงกลาว เกดจากการเปลยนสภาพของนวเคลยสแมคอ พลโตเนยมไปเปนนวเคลยสลกคอ ยเรเนยม

กรณทมการแผรงสบตาออกมา เชน เมอนวเคลยสแมคอเรเดยม )Ra(22888 ปลดปลอย

อนภาคบตา )e( 01− ออกมาแลวกลายเปนนวเคลยสลกคอ แอกตเนยม )Ac(228

89 ซงมประจไฟฟาเพมขน +1e แตมวลใกลเคยงกน ดงรปท 20.25 เขยนแทนดวยสมการ

eAcRa 01

22889

22888 −+→ (20.3)

28

รปท 20.25 แสดงการแผรงสบตาของเรเดยมแลวเปลยนสภาพเปนแอกตเนยม

พลงงานจลนของรงสบตาทปลดปลอยออกมา มคาสงมากเมอเทยบกบพลงงานจลนของอเลกตรอนทวงวนอยรอบนวเคลยส นนคอ รงสบตาตองไดมาจากการเปลยนสภาพของนวเคลยส

กรณทมการแผรงสแกมมาออกมานน เปนพลงงานทไดจากการเปลยนระดบพลงงานภายในนวเคลยส เชน เมอนวเคลยสแมคอ พลโตเนยม )Pu( ∗ เปนนวเคลยสไมเสถยรของธาตกมมนตรงสทอยในสถานะถกกระตน (excited state) เมอสลายใหรงสแกมมาออกมาแลวเปลยนสภาพเปนนวเคลยสลกคอ พลโตเนยม )Pu( ทอยในสถานะพน(groud state) ซงเปนนวเคลยสทเสถยร ดงรปท 20.26 เขยนแทนดวยสมการ

γ+→ PuPu 24094

*24094 (20.4)

รปท 20.26 แสดงการแผรงสแกมมาของพลโตเนยมเปลยนสภาพจากไมเสถยรเปนเสถยร

29

จากทงสามกรณดงกลาวสามารถสรปไดวา เมอนวเคลยสแมคอ นวเคลยสของธาตกมมนตรงสแผรงสแอลฟา บตา หรอแกมมาออกมาแลวนวเคลยสแมเปลยนสภาพเปนนวเคลยสลก นนคอ เมอศกษาเรองราวของกมมนตภาพรงสจะทาใหเขาใจในองคประกอบของนวเคลยสไดอยางถองแท

20.2.1 องคประกอบของนวเคลยส (The Constituent of Nucleus)

เมอนวเคลยสของธาตกมมนตภาพรงสบางชนด ปลดปลอยอนภาคแอลฟาหรออนภาคบตาออกมา กอใหเกดแนวคดวา ภายในนวเคลยสนาจะประกอบดวยอนภาคแอลฟาและบตารวมกนอย แตแนวคดนตองลมเลกไปเนองจากมวลของนวเคลยสไมไดเปนจานวนเตมเทาของมวลของอนภาคแอลฟา ประกอบกบมนวเคลยสของธาตกมมนตรงสบางชนดมมวลนอยกวามวลของอนภาคแอลฟา เชน นวเคลยสของธาตไฮโดรเจนซงเปนนวเคลยสของธาตทเบาทสด ดงนนจงอาจจะเปนองคประกอบของนวเคลยสของธาตตางๆ ได

รทเทอรฟอรดสนบสนนแนวคดน โดยเขาทดลองใชอนภาคแอลฟาทาหนาทเปนกระสน (bullet) ยงไปยงนวเคลยสเปา (target nucleus) คอไนโตรเจน แลวพบวามนวเคลยสผลผลต (product nucleus) คอออกซเจนและอนภาคผลผลต (product particle) คอไฮโดรเจนเกดขน เขาเสนอใหเรยกไฮโดรเจน )H(11 วา โปรตอน ดงรปท 20.27

รปท 20.27 แสดงการยงกระสนแอลฟาไปยงไนโตรเจนไดผลผลตเปนออกซเจนและโปรตอน ทมา : หนงสอเรยนสาระการเรยนรพนฐานและเพมเตมฟสกส เลม 3. 2548 : หนา 277

จากปรากฏการณทธาตกมมนตรงสทมตามธรรมชาตบางชนดปลดปลอยอนภาคบตาออกมา ทาใหเกดแนวคดวา นวเคลยสของธาตตางๆ นาจะมอเลกตรอนเปนองคประกอบ จากแนวคดทงสองทาใหนกวทยาศาสตรในสมยนนตงสมมตฐานโปรตอน–อเลกตรอน (proton–electron hypothesis) สมมตฐานขอนตงขนเมอคนพบกมมนตภาพรงสใหมๆ มใจความวา

30

นวเคลยสมขนาดเลก ประกอบดวยอนภาคโปรตอนและอเลกตรอน เปนทรวมของประจทงหมดและมวลเกอบทงหมดของอะตอม สมมตฐานนอธบายองคประกอบของนวเคลยสไดวา นวเคลยสประกอบดวยโปรตอนและอเลกตรอน เชน ลเทยม ซงมมวลเชงอะตอมประมาณ 7 เทาของมวลโปรตอน และอเลกตรอน 3 ตวในอะตอม ดงนนนวเคลยสของลเทยมควรจะประกอบดวยโปรตอน 7 ตว และอเลกตรอน 4 ตว อยภายในนวเคลยส ทาใหนวเคลยสของธาตนมประจ e3+ แนวคดดงกลาวสามารถอธบายการแผรงสทใหอนภาคแอลฟาไดวา เมอโปรตอน 4 ตว และอเลกตรอน 2 ตวในนวเคลยสเกดการรวมตวกนเปนอนภาคแอลฟาแลวหลดออกมา แตจากหลกความไมแนนอน (uncertainty principle) ของไฮเซนตเบรกบงชวา อเลกตรอนอยในนวเคลยสไมได เนองจากวา ถามอเลกตรอนอยในนวเคลยส มนจะมพลงงานสงจนนวเคลยสกกขงเอาไวในนวเคลยสไมได เพราะความไมแนนอนทางตาแหนง )x(∆ ของอเลกตรอนมคาประมาณ m10 15− การมความไมแนนอนทนอยเชนน ทาใหความไมแนนอนของโมเมนตมสงมาก ทาใหอเลกตรอนมอตราเรวมากกวาแสง อเลกตรอนจงไมสามารถอยในนวเคลยสได ประกอบกบมขอมลจากปรากฏการณของนวเคลยสอกหลายเรองทอธบายดวยสมมตฐานนไมได เชน การไมทราบคาโมเมนตมเชงมมซงเปนสมบตสาคญอยางหนงของนวเคลยส จากการคนพบวานวเคลยสมโมเมนตมเชงมมหรอ สปน (spin) ไปเกยวโยงกบคาโมเมนตแมเหลก (magnetic moment) ซงไดจากการศกษาเกยวกบเสนสเปกตรม แสดงถงความบกพรองและผดอยางเดนชดวา ไมมอเลกตรอนอยในนวเคลยส สมมตฐานนจงลมเลกไป

20.2.2 การคนพบนวตรอน (Discovery of Neutron)

ถงแมวาอเลกตรอนจะอยในนวเคลยสไมได แตนวเคลยสของธาตกมมนตรงสกแผรงสบตาหรอปลอยอเลกตรอนได แสดงวาในนวเคลยสของธาตกมมนตรงสจะตองมอเลกตรอนแฝงอยในอนภาคมลฐานชนดหนงซงไมแสดงสมบตของอเลกตรอน ในป พ.ศ. 2463 รทเทอรฟอรดไดเสนอแนวคดวา อเลกตรอนและโปรตอนในนวเคลยส อาจจะรวมตวกนเปนอนภาคทมสภาพเปนกลางทางไฟฟาซงเขาเรยกวา นวตรอน (neutron) นกฟสกสในสมยนนพยายามคนหานวตรอน แตวธตรวจสอบอนภาคในสมยนนใชการเบนในสนาม แมเหลกและสนามไฟฟาทใชไดกบอนภาคทมประจไฟฟาเทานน

ในป พ.ศ.2462 รทเทอรฟอรดคนพบปฏกรยานวเคลยร ซงเปนการผลตปฏกรยานวเคลยรหรอการเปลยนสภาพของนวเคลยสใหเกดขนในหองปฏบตการไดเปนครงแรก โดยใชกระสนคอ อนภาคแอลฟา )He(4

2 ทไดจาก RaC′ (คอ Po21484 ) ซงเปนธาตกมมนตรงสใน

ธรรมชาต ยงไปยงนวเคลยสเปาคอไนโตรเจน )N(147 แลวไดผลผลตเกดใหม 2 ชนดไดแก

นวเคลยสผลผลตคอออกซเจน )O(178 และอนภาคผลผลตคอโปรตอน )H(11 รทเทอรฟอรด

จดตงเครองมอ ดงรปท 20.28

31

รปท 20.28 เครองสาเรจของรทเทอรฟอรดทใชสงเกตการสลายเมออนภาคแอลฟา ชนกบนวเคลยสของไนโตรเจน

โดยตดปลายดานหนงของกลอง B ออกแลวปดดวยแผนเงนบาง (silver foil) F จากนนทาบไวกบจอ S ซงเปนจอเคลอบดวยสงกะสซลไฟด โดยจอ S จะเกดการเปลงแสงวบ (scintillation) ขนเมอมไอออนพงชน ปรากฏการณการเปลงแสงวบดงกลาวสามารถสงเกตหรอถายภาพไดดวยการมองผานกลองจลทรรศน M รทเทอรฟอรดทาการทดลองโดยเรมตนจาก 1. ตดตง RaC′ ไวบนจาน D โดยแผนเงนบาง F มความหนาเพยงพอสาหรบการดดกลนอนภาคแอลฟาได 2. ใสแกสเขาไปหรอนาแกสออกจากกลอง B โดยผานวาลว 21 VและV 3. เมอใสแกสออกซเจนหรอคารบอนไดออกไซดเขาไปในกลอง B โดยความดนของแกสมคาเทากบความดนของอากาศนอกกลอง B และถอดแผนเงนบาง F ออก เนองจากเมอจดระยะหางระหวาง D กบจอ S หางกน 7 cm หรอมากกวานนเปนระยะทางเพยงพอทแกสจะดดกลนอนภาคแอลฟาจาก RaC′ ไดทงหมดโดยไมเกดการเปลงแสงวบขนบนจอ S เลย

4. ถาเปลยนเปนบรรจแกสไนโตรเจนเขาไปและใสแผนเงนบาง F ดวยจะสงเกตพบการเปลงแสงวบบนจอ S ผานกลองจลทรรศน M แมจะเลอน RaC′บน D หางจากจอ S ไกลออกไปอกถง 40 cm ยงพบการเปลงแสงวบอย

5. รทเทอรฟอรดสรปวา การเปลงแสงวบบนจอ S เกดจากกระสนคออนภาคแอลฟาชนกบนวเคลยสเปาคอแกสไนโตรเจน เกดอนภาคผลผลตใหมหลดออกมาจากแกสไนโตรเจน จากการวดดวยการเบนในสนามแมเหลกพบวา อนภาคผลผลตดงกลาวคอโปรตอน

6. แสดงวา รทเทอรฟอรดสามารถทาใหเกดการแตกสลายทาขน (artificial disintegration) กบอะตอมของแกสไนโตรเจนได แตเกดขนนอยมากเพราะตองใชอนภาคแอลฟาจาก RaC′ ถงหนงลานอนภาค จงไดโปรตอนออกมา 1 อนภาค 7. ตอมารทเทอรฟอรดและแชดวกไดเปลยนเปาเปนธาตเบานบแตธาตโบรอน (Bo) ถงโพแทสเซยม (K) ยกเวนธาตคารบอนและออกซเจนพบวา ในบางกรณโปรตอนทไดออกมา

32

มพลงงานมากกวาอนภาคแอลฟาทใชเปนกระสน การทดลองนเปนประจกษพยานวา อนภาคโปรตอนทเกดขนใหมนนเปนผลจากกระบวนการแตกสลายนนเอง

ในการอธบายธรรมชาตของกระบวนการทางนวเคลยรทจะปลดปลอยอนภาคโปรตอนออกมานน รทเทอรฟอรดและแชดวกไดเสนอสมมตฐาน 2 ประการ คอ 1. เมอกระสนคออนภาคแอลฟาชนกบนวเคลยสเปาคอไนโตรเจนๆ จะเสยโปรตอนไปหนงตว

2. เมอนวเคลยสเปาจบยด (capture) กระสนแอลฟา เกดเปนนวเคลยสเชงประกอบ ไมเสถยร (unstable compound nucleus) ซงเขยนอยในวงเลบ แลวจงปลอยอนภาคโปรตอน ซงเขยนแทนดวย H1

1 ออกมาดงสมการ (20.5) ดงนน เมอระดมยง (bombard) กระสนแอลฟา ไปยงนวเคลยสเปาคอไนโตรเจน จงเขยนแทนดวยสมการทคลายกบสมการเคมได ดงน

HO]F[HeN 11

178

189

42

147 +→→+ (20.5)

จากการทรทเทอรฟอรดทาใหเกดการเปลยนสภาพของนวเคลยสไดในหองปฏบตการ โดยการยงอนภาคแอลฟาใหไปชนนวเคลยสของไนโตรเจนแลวไดอนภาคโปรตอนออกมา นกฟสกสสนใจการเปลยนแปลงสภาพของนวเคลยสในลกษณะนมาก และไดศกษาการเปลยนสภาพของนวเคลยสในรปแบบนกนอยางกวางขวางเชน ในป พ.ศ.2473 นกฟสกสชาวเยอรมนสองคน คอ โบท (W.Bothe) และเบกเคอ (H.Becker) พบวา เมอยงอนภาคแอลฟาใหไปชนนวเคลยสเปาคอ เบรลเลยม จะปลดปลอยรงสชนดหนงทมสมบตคลายรงสแกมมาออกมา รงสนมสภาพเปนกลางทางไฟฟาและสามารถทะลผานวตถไดดมาก เชน สามารถทะลผานอฐหรอแผนโลหะหนาๆ ได ตอมาในป พ.ศ. 2475 ไอรน กร (Irene Curie) และสามคอเฟรเดรก โจเลยต (Frederic Joliot ) พบวาใชรงสทเปนกลางทางไฟฟาพลงงาน 10 MeV ทาหนาทเปนกระสนยงไปยงนวเคลยสเปาคอ พาราฟน (paraffin) ซงเปนสารทมอะตอมของไฮโดรเจนมาก จะไดอนภาคผลผลตคอ โปรตอนพลงงาน 5 MeV ปลดปลอยออกมาจากพาราฟนดงรปท 20.29 เมอใชกฎการอนรกษโมเมนตมและกฎการอนรกษพลงงานคานวณพบวา ถากระสนทใชยงพาราฟนเปนรงสแกมมาจะตองมพลงงานสงถง 50 MeV จงจะไดโปรตอนทมพลงงาน 5 MeV แตพลงงาน 50 MeV ทสงเชนนจะทาใหอากาศแตกตวดวย แตไมพบการแตกตวใดๆ จงสรปวา เมอยงกระสนแอลฟาไปชนนวเคลยสเปาคอเบรลเลยมจะเกดอนภาคผลผลตทไมใชรงสแกมมา

33

รปท 20.29 แผนภาพการทดลองของไอรน กรและเฟรเดรก โจเลยต

ในป พ.ศ. 2475 แชดวก (Chadwick) วเคราะหผลการทดลองดงกลาว และเสนอแนวคดวา อนภาคผลผลตคอรงสทไมใชรงสแกมมา นาจะเปนอนภาคชนดใหมทยงไมมใครพบมากอน

รปท 20.30 แชดวก

เขาศกษาการชนระหวางอนภาคชนดใหมทเขาคดวาเปนนวตรอนกบอะตอมของไฮโดรเจนในพาราฟน แลววดอตราเรวของโปรตอนทปลดปลอยออกมาจากพาราฟน และไดทดลองใหอนภาคทคดวาเปนนวตรอนนวงไปชนนวเคลยสของไนโตรเจน แลววดอตราเรวของนวเคลยสของไนโตรเจนทถกชนแบบยดหยนสมบรณ แลวใชกฎการอนรกษโมเมนตมและกฎการอนรกษพลงงาน คานวณประกอบการทดลอง เมอใชอนภาคแอลฟาเปนกระสนยงไปยงนวเคลยสเปาคอเบรลเลยม เกดอนภาคผลผลตตวใหมทไมมประจไฟฟาซงไมเบยงเบนในสนามแมเหลกและสนามไฟฟา เกดรอยทาง (track) ในหองหมอก (cloud chamber) วดมวลได 1.00898 u ซงใกลเคยงกบมวลของโปรตอนซงมมวล 1.00758 u อนภาคดงกลาวมอานาจทะลทะลวงสงมาก

34

จงตงชอวา นวตรอนตามสมบตของมน ผลการศกษานสนบสนนแนวคดของรทเทอรฟอรดทกลาวไวขางตนวา มอนภาคนวตรอนอยในนวเคลยส และแชดวกสรปวา อนภาคมลฐานทเปนองคประกอบของนวเคลยสคอโปรตอนและนวตรอน โดยสมการประวตศาสตรทเขาใชในการทดลอง คอ

nCBeHe 10

126

94

42 +→+ (20.6)

ไฮเซนเบรกนาผลการคนพบอนภาคนวตรอนมาสรางเปนแบบจาลองของนวเคลยสแบบใหมทใชอธบายโครงสรางของนวเคลยสคอ สมมตฐานโปรตอน–นวตรอน (proton–neutron hypothesis) ซงกลาววา “จานวนอนภาคมลฐาน (elementary particle) ทมอยทงหมดในนวเคลยสไดแก โปรตอนและนวตรอนซงเรยกวา นวคลออนรวมกนแลวตองเทากบเลขมวลของนวเคลยส” โดยเลขมวลเปน เลขจานวนเตมทมคาใกลเคยงกบมวลเชงอะตอมมากทสด เชน นวเคลยสของยเรเนยมมเลขมวล 238 จะมมวลเชงอะตอมเทากบ 238.0508 u และมจานวน นวคลออนคอจานวนโปรตอนและนวตรอนรวมกนเทากบ 238 และเลขเชงอะตอมยงเปนเลขทแสดงจานวนประจไฟฟาของนวเคลยสอกดวย เชน ยเรเนยมมเลขเชงอะตอมเทากบ 92 แสดงวา นวเคลยสของยเรเนยมมประจไฟฟาเทากบ +92e สมมตฐานขอนใหผลสรปวา 1. จานวนโปรตอนเทากบประจนวเคลยส คอ Z (ซงเปนเลขเชงอะตอม)

2. เรยกอนภาคซงเปนสวนประกอบของนวเคลยสวา นวคลออน เพอบงชวา มนทา หนาทเปนโครงสรางของนวเคลยส

3. สมมตฐานขอนยงคงใชอธบายการสลายของธาตกมมนตรงสไดอย 4. เราเขยนแทนสญลกษณของนวเคลยสของธาต X เปน XA

Z เชน U23892 เขยนแทน

ธาตยเรเนยมทมโปรตอน 92 ตวหรอมประจไฟฟา e92+ และผลรวมของจานวนโปรตอนกบนวตรอนเปน 238 นนคอ มนวตรอน 14692238ZAn =−=−= อนภาค ในบางครงเรา

อาจจะเขยนสญลกษณอยางยอของนวเคลยสเปน AX − เชน U – 238 หรอ U238 214Pb − หรอ Pb214

35

แบบฝกหด 20.2 การเปลยนสภาพนวเคลยส คาสง จงกาเครองหมาย X ทบตวเลอก ก ข ค ง ทเหนวาเปนคาตอบทถกตองทสด 1. ในปจจบนไดศกษาโครงสรางอะตอม ทราบวาประกอบดวยอนภาคสวนยอยอะไรบาง 1. อนภาคโปรตอนมประจบวก 2. อนภาคนวตรอนเปนกลาง 3. อนภาคอเลกตรอนมประจลบ 4. อนภาคนวเคลยสเปนกลาง ขอใดถกตอง

ก. ขอ 1 2 และ 3 ข. ขอ 1 และ 3 ค. ขอ 2 และ 4 ง. ขอ 4

2. โครงสรางนวเคลยสทยอมรบกนในปจจบน มสมมตฐานเปนแบบใด ก. แบบโปรตอน-อเลกตรอน ข. แบบนวตรอน-อเลกตรอน ค. แบบโปรตอน-นวตรอน ง. แบบโปรตอน-นวคลออน

3. การทาใหมการเปลยนแปลงภายในนวเคลยส อาจทาไดโดยการใชอนภาคชนดใดยงเขาไป ชนนวเคลยส

ก. โปรตอน ข. นวตรอน ค. ดวเทอรอน ง. ถกทกขอ

4. การเขยนสมการทางนวเคลยสใชหลกการคงตวของสงใด 1. ประจไฟฟา 2. นวคลออน 3. มวลและพลงงาน 4. โมเมนตม ขอใดถกตอง

ก. ขอ 1, 2 และ 3 ข. ขอ 1 และ 3 ค. ขอ 2, 3 และ 4 ง. ขอ 1, 2, 3 และ 4

36

5. อนภาคในขอใดมการเบยงเบนนอยทสดหรอไมเบยงเบน เมอพงเขาชนนวเคลยส ของยเรเนยม

ก. โปรตอน ข. อเลกตรอน ค. นวตรอน ง. อนภาคแอลฟา

6. ใครเปนผคนพบนวตรอนและสามารถหามวลของนวตรอนได ก. โบร ข. รทเทอรฟอรด ค. โบธและเบคเคอร ง. แชดวก

7. เมออนภาคแอลฟา )He(42 ชนกบเบอรลเลยม )Be(9

4 มอะไรเกดขน ก. รงสแกมมา ข. โปรตอน ค. นวตรอน ง. อเลกตรอน

8. อนภาคโปรตอนวงชนนวเคลยสของ B115 ทาใหเกดนวเคลยสตวใหมคอ C11

6 กบอนภาค ตวหนง อนภาคตวนนคอ

ก. โปรตอน ข. นวตรอน ค. อเลกตรอน ง. แกมมา

9. เมอนวเคลยสแผรงสแอลฟา จะไดนวเคลยสใหมเปลยนสภาพมาจากนวเคลยสเดมอยางไร ก. มวลเชงอะตอมลดลง 4 u ประจบวกลดลง 2 e หนวย ข. มวลเชงอะตอมเพมขน 4 u ประจบวกเพมขน 2 e หนวย ค. มวลเชงอะตอมลดลง 4 u ประจบวกเพมขน 2 e หนวย ง. มวลเชงอะตอมเพมขน 4 u ประจบวกลดลง 2 e หนวย

10. เมอมการแผรงสบตา อนภาคในนวเคลยสใหมเปลยนแปลงจากนวเคลยสเดมอยางไร ก. โปรตอนเพมขน 1 ตว นวตรอนเทาเดม ข. โปรตอนลดลง 1 ตว นวตรอนเพมขน 1 ตว ค. โปรตอนเพมขน 2 ตว นวตรอนลดลง 2 ตว ง. โปรตอนเทาเดม นวตรอนลดลง 1 ตว

37

11. ถานวเคลยสแม P กลายเปนนวเคลยสลก D และ Q เปนพลงงานโฟตอน จะ เขยนสมการการสลายแอลฟาไดอยางไรจงจะถกตองตามแบบสมการนวเคลยส

ก. QparticleDP +−α+→

ข. QHeDP 42

AZ

AZ +→+

ค. QHeDP 42

AZ

AZ ++→

ง. QHeDP 42

4A2Z

AZ ++→ −

− 12. เมอนวเคลยสของเรเดยม – 226 สลายไปเปนนวเคลยสของเรดอน – 222 จะใหรงส ชนดใดออกมา

ก. รงสแอลฟา ข. รงสแกมมา ค. รงสบตา ง. ขอ ก และ ข

13. การสลายของนวเคลยสตะกวเปนนวเคลยสบสมธ ตอไปน ใหหาคา a และ b eBiPb 0

1ab

21482 −+→

ก. 82b,214a == ข. 83b,214a == ค. 81b,215a == ง. 81b,214a ==

14. จากสมการ XNpAm ab

23793

24195 +→ ใหหาวา Xa

b คอ

ก. X42

ข. He42

ค. e01−

ง. ray−γ 15. จากการปลดปลอยรงสบตาของ Thorium–234 ตามสมการ ePaTh 0

1AZ

23490 −+→ จงหาจานวนนวตรอนของ Pa ก. 89 ข. 91 ค. 143 ง. 234

38

16. ในการสลายของนวเคลยสหนงพบวาเลขมวลของนวเคลยสใหมเทากบเลขมวลขนวเคลยส เดมแตเลขเชงอะตอมเพมขนอก 2 หนวย ขอความใดตอไปนถกตองทสด

ก. เปนกระบวนการปลดปลอยอนภาคบตา 2 อนภาค ข. เปนกระบวนการปลดปลอยรงสแกมมา ค. เปนกระบวนการจบอเลกตรอน ง. เปนกระบวนการปลดปลอยอนภาคแอลฟาและบตาอยางละหนงอนภาค

17. X ในสมการคออะไร XBC 11

5116 +→

ก. แอลฟา ข. อเลกตรอน ค. แกมมา ง. โพซตรอน

18. Pb21482 สลายได Bi214

83 อนภาคทปลอยออกมาคอ ก. นวตรอน ข. แกมมา ค. แอลฟา ง. บตา

19. ธาต X รวมตวกบอนภาคหนงกลายเปนธาตกมมนตรงส Y ซงสลายใหรงสบตา แลว ตวมนกลายเปนธาต Z ถาเลขมวลของธาต Z มคาเปน 2 เทาของเลขเชงอะตอมของมน ธาต X ดงกลาว คอธาตในขอใด

ก. Cu5829

ข. Zn6230

ค. Ga6531

ง. Ge6832

20. อะตอมชนดหนงประกอบดวยโปรตอน 9 ตว อเลกตรอน 9 ตว และนวตรอน 10 ตว จานวนนวคลออนของอะตอมนเทากบ

ก. 0 ข. 9 ค. 19 ง. 28

39

21. ขอใดทไมมสวนเกยวของกบการสลายใหรงสแกมมา ก. นวเคลยสถกกระตนไปอยใน excited state เสยกอน ข. นวเคลยสเปลยนระดบพลงงาน excited state ลงมาส ground state ค. นวเคลยสใหมมเลขมวล A และเลขเชงอะตอม Z เทานวเคลยสเดม ง. อเลกตรอนรอบนวเคลยสเปลยนระดบเลขควอนตมของอะตอม

22. จงหานวตรอนใน 1 กรม ของ C126

ก. 231002.66 ×× ข. 231002.612 ××

ค. 231002.6 × ง. 231001.3 ×

23. เมอนวเคลยสของธาตกมมนตรงสลดระดบพลงงานจากสถานะถกกระตนลงมาอยในสถานะ พน จะแผสงใดออกมา

ก. α - rays ข. β- rays ค. γ - rays ง. photon

24. เมออเลกตรอนของอะตอมกระโดดจากพลงงานอะตอมขน exeited ลงมา ground state จะมการแผสงใดออกมา

ก. α - rays ข. β- rays ค. γ - rays ง. photon

25. จงพจารณาขอความตอไปน 1. แสงทมองเหนไดมสมบตแตกตางจากรงสแกมมาโดยสนเชง 2. แสงทมองเหนไดเกดจากการเปลยนระดบพลงงานอะตอม สวนรงสแกมมา เกดจากการเปลยนสภาพภายในนวเคลยส คาตอบทถกตองคอขอใด

ก. ขอ 1 ถก, ขอ 2 ถก และ 2 เปนเหตผลของ 1 ข. ขอ 1 ถก, ขอ 2 ถก แต 2 ไมเปนเหตผลของ 1 ค. ขอ 1 ถก, ขอ 2 ผด ง. ขอ 1 ผด, ขอ 2 ถก

40

20.3 กฎการกระจดของกมมนตภาพรงส (Displacement Law of Radioactivity)

ธาตกมมนตรงสทมในธรรมชาตมาจากแหลงกาเนดสาคญ 2 แหลง คอ นวเคลยส กมมนตรงสปฐมภม (primary radio nucleus) ซงเกดมาพรอมกบโลกโดยแทรกเปนสวนประกอบอยในหน ดน ทราย และแรธาตตางๆ นวเคลยสของธาตกมมนตรงสทพบนนสวนใหญจะเปนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสของธาตหนกๆ ทมครงชวต (half life) ยาวๆ และนวเคลยสของธาตกมมนตรงสจากรงสคอสมก (cosmogenic radio nucleus) ซงเกดจากปฏกรยาของรงสคอสมกกบนวเคลยสของธาตทมในบรรยากาศของโลก เมอนวเคลยสของธาตกมมนตรงสปลดปลอยอนภาคแอลฟาหรออนภาคบตา ซงบางครงกมรงสแกมมาปลดปลอยออกมาดวย นวเคลยสแมจะเปลยนไปเปนนวเคลยสลกทเกดใหมซงพบอยเสมอวา เปนธาตกมมนตรงสดวย

สาหรบการสลายใหอนภาคแอลฟา จะทาใหประจไฟฟาของนวเคลยสลดลงสองหนวย และเลขมวลลดลงสหนวย เชน การสลายของ U238

92 กลายเปนทอเรยมโดยแผรงสแอลฟาออกมา ดงสมการ

HeThU 42

23490

23892 +→ )y109.4( 9×

โดยสมการนวเคลยรจะตองสมดลดงน 1. สมดลของเลขมวล )นวตรอนโปรตอน( + ทางซาย เลขมวล 238=

ทางขวา เลขมวล 2384234 =+= 2. สมดลของเลขเชงอะตอม (สมดลของประจไฟฟา) ทางซาย เลขเชงอะตอม 92=

ทางขวา เลขเชงอะตอม 92290 =+=

3. ตวเลข )y109.4( 9× คอเวลาครงชวตซง U23892 สลายให Th234

90

สาหรบการสลายใหรงสบตานนประจไฟฟาของนวเคลยสเพมขนหนงหนวย (เลขเชง อะตอมเพมขนหนง) ในขณะทมวลเชงอะตอมคงเดมและปรากฏในตารางธาตเลอนไปทาง ขวามอหนงท ซอดดและฟาจาน (Soddy and Fajan) ตงกฎการกระจดของกมมนตภาพรงสทสลายใหรงสแอลฟาและบตา ขนในป พ.ศ.2456 เชน เมอ Th234

90 สลายใหรงสบตาไดธาตใหมคอ โพรแทกทเนยม Pa234

91 ดงสมการ

ePaTh 01

23491

23490 −+→ (24d)

41

แต Pa23491 ยงไมเสถยร จงสลายใหรงสบตาออกมาดงสมการ

eUPa 01

23492

23491 −+→ (1.14 min)

สวนการสลายใหรงสแกมมานน Z และ A คงเดมแตสถานะภายในนวเคลยสจะเปลยนจากสถานะถกกระตนเปนสถานะพน เชน การสลายของธาตทอเรยม ดงสมการ

HeThU 42

23490

23892 +→ ∗

γ+→∗ ThTh 23490

23490

∗ เปนเครองหมายแสดงวา นวเคลยสอยในสถานะถกกระตน

20.3.1 อนกรมกมมนตรงสในธรรมชาต (The Natural Radioactive Series)

ในป พ.ศ. 2446 รทเทอรฟอรดและซอดด เสนอแนวคดไววา ธรรมชาตของ นวเคลยสลกทเกดใหมเกยวพนกบธรรมชาตของนวเคลยสแมกบอนภาคทปลดปลอยออกมา จากการศกษาองคประกอบภายในนวเคลยส เลขเชงอะตอม และเลขมวล แลวสรปเปนกฎเกณฑในการดลสมการนวเคลยรวา เลขเชงอะตอมหรอผลรวมทางพชคณตของประจทงหมดกอนการสลายกบประจทงหมดหลงการสลายจะตองเทากน และผลรวมของเลขมวลของอนภาคในนวเคลยสแมกบผลรวมของเลขมวลของอนภาคในนวเคลยสลกตองเทากน จากการวจยทางฟสกสและเคมเกยวกบธาตกมมนตรงสทมในธรรมชาต มกจะมการสลายสบเนอง (successive decay) กนเปนอนกรม โดยอนกรมของนวเคลยสของธาตกมมนตรงสในธรรมชาตม 3 อนกรม คอ

1. อนกรมทอเรยม (Thorium series, 4n series) 2. อนกรมยเรเนยม (Uranium series, 2n4 + series) 3. อนกรมแอกตเนยม (Actinium series, 3n4 + series)

42

1. อนกรมทอเรยม (Thorium series, 4n series) ธาตกมมนตรงสในอนกรมชดนเรมตนจากการท Th232 ซงมคาครงชวต 14 Gy หรอ y104.1 10× มการสลายสบเนองมา

จนกระทงไดนวเคลยสเสถยรคอ Pb208 และธาตกมมนตรงสในอนกรมชดนทกอนภาคมเลขมวล ทหารดวย 4 ใหผลลพธเปนเลขลงตว จงเรยกอนกรมชดนวา อนกรม 4n การสลายของนวเคลยสในอนกรมชดนแสดงดงรปท 20.31

รปท 20.31 อนกรมทอเรยมเปนอนกรม 4n ทเลขมวลหารดวย 4 ลงตว

43

2. อนกรมยเรเนยม (Uranium series, 2n4 + series) ธาตกมมนตรงสในอนกรมชดน

เรมตนจากการท U238 ซงมคาครงชวต 4.5 x 910 y มการสลายสบเนองจนกระทงไดนวเคลยสเสถยรคอ Pb206 และธาตกมมนตรงสในอนกรมชดนทกอนภาค มเลขมวลทหารดวย 4 แลวเหลอเศษ 2 จงเรยกอนกรมชดนวา อนกรม 2n4 + การสลายของนวเคลยสในอนกรมชดนแสดงไวในรปท 20.32

รปท 20.32 อนกรมยเรเนยมเปนอนกรม 4n + 2 ทเลขมวลหารดวย 4 เหลอเศษ 2

44

3. อนกรมแอกตเนยม (Actinium series, 3n4 + series) ธาตกมมนตรงสในอนกรม

ชดนเรมตนจากการท U235 ซงมคาครงชวต 7.1 x 810 y มการสลายสบเนองจนกระทงไดนวเคลยสเสถยรคอ Pb207 และธาตกมมนตรงสในอนกรมชดนทกอนภาคม เลขมวลทหารดวย 4 แลวเหลอเศษ 3 จงเรยกอนกรมชดนวา อนกรม 3n4 + การสลายของนวเคลยสในอนกรมชดนแสดงไวในรปท 20.33

รปท 20.33 อนกรมแอกตเนยมเปนอนกรม 3n4 + ทเลขมวลหารดวย 4 เหลอเศษ 3

45

นอกจากนยงมอนกรมเนปจนเนยม (Neptunium series, 1n4 + series) ธาตกมมนตรงส

ในอนกรมชดนเรมตนจากการท Np237 ซงมคาครงชวตเพยง 6103.2 × y มการสลายสบเนองจนกระทงไดนวเคลยสเสถยรคอ Bi209 สวนใหญของธาตกมมนตรงสในอนกรมชดนมครงชวตทไมยาวมากนก ในปจจบนจงไมพบอนกรมน เนองจากสลายเปนธาตเสถยรหมดแลว และธาตกมมนตรงสในอนกรมชดนทกอนภาค มเลขมวลทหารดวย 4 แลวเหลอเศษ 1 จงเรยกอนกรมชดนวา อนกรม 1n4 + การสลายของนวเคลยสในอนกรมชดน แสดงไวในรปท 20.34

รปท 20.34 อนกรมเนปจนเนยมเปนอนกรม 1n4 + ทเลขมวลหารดวย 4 เหลอเศษ 1

46

ในป พ.ศ. 2443 ภายหลงจากการคนพบธาตกมมนตรงสแลว ครกซ (Crookes) พบวา เมอผสมแอมโมเนยมยเรเนยมคารบอเนตลงในสารละลาย จะไดตะกอนของเกลอยเรเนยม U นาตะกอนของเกลอยเรเนยมนไปละลายซาอกครงหนงแลวกรองตะกอนออกมาจากสารละลายพบวา ตะกอนนมกมมนตภาพสง (activity) มาก แลวเคยวสารละลายใหแหงจะไดยเรเนยมทมกมมนตภาพตามาก จงสรปวากมมนตภาพทวดไดจากยเรเนยมนนมไดเกดจากยเรเนยมเพยงอยางเดยวแตเกดจากธาตกมมนตรงสอกชนดหนงซงตงชอวา ยเรเนยมเอกซ (uranium X) UX ตอมาแบกเกอแรลทาการศกษาหาขอมลเพมเตมและพฒนากระบวนการแยก UX ออกจาก U ไดและพบวา กมมนตภาพของ UX ลดลงเมอเวลาเพมขน ในขณะทสารละลายยเรเนยมกลบมกมมนตภาพเพมขนดงรปท 20.35 (ซาย) ตอมาในป พ.ศ.2445 รทเทอรฟอรดและซอดดทาการทดลองกบเกลอทอเรยมเอกซ (thorium X) ThX พบวาตะกอนของ ThX ทแยกออกมามกมมนตภาพลดลงในขณะทกมมนตภาพของ Th เพมขนดงรปท 20.35 (ขวา) นนคอกมมนตภาพของนวเคลยสแมคอ UX และ ThX จะมคาลดลง สวนกมมนตภาพของนวเคลยสลกคอ U และ Th จะมคาเพมขนในลกษณะของเสนโคงเอกโปเนนเชยล (exponential curve)

รปท 20.35 การสลายของนวเคลยสแม UX (ซาย) และ ThX (ขวา) ทมกมมนตภาพลดลงและ กมมนตภาพของนวเคลยสลก U และ Th เพมขนแบบเสนโคงเอกโปเนนเชยล

ในปพ.ศ.2445 รทเทอรฟอรดและซอดด ตงสมมตฐานเพออธบายการสลายของ ธาตกมมนตรงสใดๆ ซงสรปแนวคดไววา ก. นวเคลยสของธาตกมมนตรงสจะสลายใหรงสแอลฟาหรอบตาออกมา ธาตใหมท ไดจากการสลายนอาจจะเปนธาตกมมนตรงสทเสถยรหรอธาตกมมนตรงสทอเสถยรกได ธาตใหมนจะมสมบตทางเคมแตกตางไปจากธาตเดม

47

ข. การสลายของธาตกมมนตรงสเปนอสระไมขนกบสงแวดลอมภายนอกนวเคลยส เชน อณหภม ความดน เปนตน แตการสลายเปนไปตามหลกทางสถตเกยวกบโอกาสและกระบวนการแบบสม เชน ถามธาตกมมนตรงสอยจานวนหนง เราบอกไมไดเลยวานวเคลยสใดในธาตนนจะสลายกอนหรอหลง เรากลาวไดแตเพยงวา ทกนวเคลยสมโอกาสทจะสลายเทากนโดยโอกาสดงกลาวไมขนกบสงแวดลอมและเวลา

แนวคดสาคญทนาไปใชสรางเปนกฎการสลายกมมนตรงส โดยนาตวแปรสาคญทไดจากการทดลองมาสรางสหสมพนธตอกนเกดเปนแบบจาลองทางคณตศาสตร ทใชหาจานวนนวเคลยส (หรอความแรงของรงส) ทเหลอเมอเวลา t ใดๆ คอ “จานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสซงสลายไปในหนงหนวยเวลา (หรอกลาววาเปนอตราการสลายของนวเคลยสของธาตกมมนตรงส) เปนสดสวนโดยตรงกบจานวนนวเคลยสทยงไมสลาย” เขยนแทนดวยสมการ

NdtdN

α− (20.7)

เมอ =−dtdN จานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสซงสลายไปในหนงหนวยเวลา

เครองหมายลบ หมายถง เมอเวลาเพมขนจานวนนวเคลยสจะลดลง เขยนสมการ (20.7) ไดเปน

NdtdN

λ=− (20.8)

เมอ =λ คาคงตวของการสลาย (decay constant) หรอคอ คาความนาจะเปนท

นวเคลยส 1 ตวจะสลายใน 1 หนวยเวลา มหนวยเปน 1s− และเปนคาคงตวของการ แปรผนตรงซงเปนคาคงตวในการสลายนนเอง

เมอใชวธแยกตวแปรจะได dtNdN

λ−=

dt)N(lnd λ−= (20.9)

หาผลเฉลยของสมการเชงอนพนธ (20.9) โดยใชปรพนธจากดเขต (definite integral) จากเงอนไขเรมตน (initial condition) คอ เมอเวลา s0t = มจานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสตอนเรมวดเปน 0N และเมอเวลาผานไป st จะมจานวนนวเคลยสของ ธาตกมมนตรงสลดลง โดยเหลอใหพบเพยง N นวเคลยส

48

∫∫ λ−=t

0

N

0Ndt)Nln(d

[ ] [ ]t0N

0NtNln λ−=

)0t(NlnNln 0 −λ−=−

tNNln0

λ−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

t

0e

NN λ−=

t0eNN λ−= (20.10)

เมอ =N จานวนนวเคลยสซงยงไมสลาย (เหลออย) เมอเวลาผานไป t หนวยเวลา =0N จานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสตอนเรมวดเมอเวลา 0t = == 7182818.2e คาคงตวทางคณตศาสตร

สมการ (20.10) มความหมายวา 1. ในตอนเรมวดเมอเวลา 0t = นน 0NN = ซงหมายถง จานวนนวเคลยสของ

ธาตกมมนตรงสทเหลอใหพบ เทากบจานวนนวเคลยสตอนเรมวด 2. เมอเวลาผานไป t หนวยเวลา ธาตกมมนตรงสทเหลอใหพบจะเทากบผลคณ

ระหวางจานวนนวเคลยสตอนเรมวด 0N กบเอกซโปเนนเชยลซงเปนฟงกชนของเวลา เมอนาจานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงส N และเวลา t มาเขยนกราฟ จะไดกราฟดานซายมอของรปท 20.36 แตถาเขยนกราฟโดยใช N เปนคาลอการทมธรรมชาต (natural logarithm) สวน t เปนคาเชงเสนเขยนบนกระดาษกราฟกงลอการทม (semi logarithm) จะไดกราฟเสนตรง ดงรปดานขวามอของรปท 20.31

49

รปท 20.36 การสลายของนวเคลยสของธาตกมมนตรงสและครงชวต กราฟดานซายมอ เปนกราฟทเขยนบนกระดาษกราฟธรรมดา สวนกราฟดานขวามอเขยนบน กระดาษกราฟกงลอการทม

รปท 20.37 เครองนบไกเกอร (Geiger counter)

50

ในการวดหาจานวนนวเคลยสโดยตรงทาไดยากในทางปฏบต แตเรามเครองวดทม ความไวสงมาก เชน เครองนบไกเกอรไวใชตรวจจบอนภาคทมประจไฟฟาซงเกดจากการสลายของธาตกมมนตรงส ถามอนภาคเพยงหนงอนภาควงผานเครองนบ จะทาใหเกดกระแสไฟฟามากพอทจะทาใหแกสในหลอดของเครองนบไกเกอรแตกตวเปนไอออนอยางมากมายและรวดเรว แลวมาตรศกยไฟฟาสถต (electrometer) จะบนทกกระแสสนๆ เรยกวา คลกค (click) นนคอเราสามารถวดอตราการสลายของธาตกมมนตรงสไดโดยตรง เมอนยาม อตราการสลายของนวเคลยสของธาตกมมนตรงส หรอจานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสทสลายไปในหนงหนวยเวลา หรอความเขมของกมมนตภาพรงสวา กมมนตภาพ (activity) ซงเขยนแทนดวยสมการ

=−=dtdNA อตราการสลาย (decay rate) หรอกมมนตภาพ

หนวยของกมมนตภาพหาไดจากนยามคอ เปนการสลายของนวเคลยสของธาตกมมนตรงส 1 นวเคลยสหรอ 1 ครงในเวลา 1 วนาท (disintegration/sec) dps โดยทวไปนยมใชแบกเกอแรล Bq โดย 1 Bq หมายถงการแตกสลาย 1 dps นนคอ

dps1Bq1 =

กร (Curie) Ci นยามวา 1 Ci มคาใกลเคยงกบกมมนตภาพของ Ra226 1 g เมอ

Bq107.3Ci1 10×=

Bq107.3Ci10mCi1 73 ×== −

Bq107.3Ci10Ci1 46 ×==µ −

แสดงวา เราสามารถวดอตราการสลายของธาตกมมนตรงสไดโดยตรงจงเปลยนแปลง สมการ (20.10) ใหสะดวกและเหมาะสมกบงานดานปฏบตโดยใชตวดาเนนการ (operator) dt/d กระทาไปบนสมการ (20.10) จะได

)eNN(dtd t

0λ−=

t0eN

dtNd λ−λ−=

t0eN

dtdN λ−λ=−

51

NeNdtdNA t

0 λ=λ=−=∴ λ− (20.11)

เมอ )dtdNAและeNN( t

0 −== λ−

จากสมการ (20.11) NA λ=

NA α (20.12)

สมการนมความหมายวา กมมนตภาพเปนสดสวนโดยตรงกบจานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสตอนเรมวด เมอเวลาเรมตน )0t( = ดงรปท 20.38

รปท 20.38 แสดงกมมนตภาพทลดลงแบบเอกซโปเนนเชยลกบเวลา

จากสมการ (20.11) t0

t0 eAe)N(

dtdNA λ−λ− =λ=−= (20.13)

เมอ A เปนกมมนตภาพเมอเวลา t ใดๆ 0A เปนกมมนตภาพตอนเรมวด เมอเวลาเรมตน 0t = )NA( 00 λ= t เปนชวงเวลาของการสลาย สมการ (20.13) มความหมายคลายกบสมการ (20.10)

พจารณาสมการ (20.10) เมอ 0N เปนจานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสตอนเรมวด สวน N เปนจานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสทเหลอใหพบเมอเวลาผานไป t หนวยเวลา

=−=∴ NNN 0D จานวนนวเคลยสลกทเกดใหม

52

= จานวนนวเคลยสทสลายไปใน t หนวยเวลา

เมอแทนสมการ (20.10) ลงไป จะได

)e1(N)eN(NN t0

t00D

λ−λ− −=−=∴ (20.14)

ดงนนการสลายของนวเคลยสของธาตกมมนตรงสมลกษณะทสาคญ คอ 1. จานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสจะลดลงแบบเอกโปเนนเชยล ตามสมการ

t0eNN λ−=

2. กมมนตภาพของธาตกมมนตรงสจะลดลงแบบเอกโปเนนเชยลตามสมการ t

0eAA λ−= 3. นวเคลยสลกทเกดใหมจะเพมขนแบบเอกโปเนนเชยล ตามสมการ

)e1(NN t0

λ−−=

20.3.2 ครงชวต (Half Life : 2/1T หรอ T)

ครงชวต และ คาคงตวของการสลาย เปนสมบตเฉพาะของนวเคลยสของธาตกมมนตรงส ซงมความสมพนธซงกนและกน ธาตกมมนตรงสชนดหนงจะมครงชวตคงตวและมคาไมซากบครงชวตของธาตกมมนตรงสอนๆ ดงตวอยางทแสดงในตารางท 20.3 ตารางท 20.3 แสดงครงชวตของธาตกมมนตรงสบางชนด

ทมา : หนงสอเรยนสาระการเรยนรพนฐานและเพมเตมฟสกส เลม 3. 2548 : หนา 286

ธาตกมมนตรงส ครงชวต )T( 2/1 โซเดยม–24 15 h ไอโอดน–131 8 d ฟอสฟอรส–32 14 d กามะถน–35 87 d โคบอลต–60 5.3 y คารบอน–14 5570 y

53

โดยนยามวา ครงชวต เปนชวงเวลาทนวเคลยสของธาตกมมนตรงสสลายไปแลวเหลอปรมาณเพยงครงหนงของเดม ดงรปท 20.39

รปท 20.39 กราฟระหวาง N / 0N กบเวลา t เมอกมมนตภาพลดลงครงหนงจากเดม เมอธาตกมมนตรงสสลายไปใชเวลาเทากบครงชวต

ในตอนเรมวดมจานวนนวเคลยสกมมนตรงสอย 0N เมอเวลาผานไปเทากบครงชวต จานวนนวเคลยสกมมนตรงสจะลดลงเหลอเพยง 2/N0 และถาใหเวลาผานตอไปอกเทากบ 2/1T นนคอเวลาผานไปเปน 2/1T2 จากเรมวด จานวนนวเคลยสกมมนตรงสกจะลดลงอกครงหนงของจานวนทเหลอ กลาวคอ จะเหลอเพยง 4/N0 ในทานองเดยวกนถาเวลาผานไปเปน 2/1T3 ,

2/1T4 จากตอนเรมวดกจะมจานวนนวเคลยสกมมนตรงสเปน 8/N0 , 16/N0 ตามลาดบ นนคอถาเวลาผานไปเปน 2/1nT จากตอนเรมวดจานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสจะเหลออยเทากบ n

0 2/N นวเคลยส จากสมการ (20.10) ถาพจารณาเวลาเมอ 2/1Tt = ขณะนนมจานวนนวเคลยส

กมมนตรงส 2/NN 0= แทนขอมลนลงไปในสมการ t0eNN λ−= จะได

2/1T00 eN2/N λ−=

elnT)e(ln)2/1(ln 2/12/1T λ−== λ−

2/1T2ln1ln λ−=− )01ln,1e(ln ==

54

λ

=λ

=∴693.02ln

T 2/1 (20.15)

จากสมการ (20.15) แสดงวา ธาตกมมนตรงสทมคาครงชวตมาก จะมคาคงตวการสลายนอย อาจกลาวไดวาคาคงตวของการสลาย แสดงถงโอกาสของการสลายของนวเคลยสกมมนตรงสใน 1 หนวยเวลา เชน Pa234 สลายไปเปน U234 จะมครงชวต 1.18 min และคาคงตว

ของการสลายนหาไดจากสมการ (20.15) จะได 1s1001

6018.1693.0 −≈×

=λ ซง

หมายความวาในเวลา 1 s โอกาสของการสลายของนวเคลยสของธาตกมมนตรงสจะเปน 1 ใน 100 นอกจากนเราอาจจะใชสมการ (20.10) บอกการเปลยนแปลงของมวลของธาต

กมมนตรงสได เนองจากจานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสเปนสดสวนตรงกบมวลของธาตนน เชน ถาม Sr90 10 g เมอเวลาผานไป 28.8 y (ซงเปนครงชวตของ Sr90 ) จะม Sr90 ซงมกมมนตภาพรงสเหลออย 5 g

รปท 20.40 แสดงมวลของธาตกมมนตรงสทลดลงแบบเอกซโปเนนเชยลกบเวลา

ดงนน ถาเรากาหนดให =0m มวลของธาตกมมนตรงสตอนเรมวด เมอเวลา 0t = =m มวลของธาตกมมนตรงสทเหลอ เมอเวลา t ใดๆ จะไดสมการเพอใชคานวณหามวลของธาตกมมนตรงสทเหลอ ดงรปท 20.34 คอ

55

t0emm λ−= (20.16)

นนคอ เรามสมการใชในการคานวณทคลายกนอย 3 สมการ คอ สมการ (20.11), (20.13) และ (20.16) ใหเราไดเลอกใชตามตวแปรและเงอนไขทโจทยใหมา

ตวอยางท 20.1 ธาต I126 มครงชวต 13.3 d ถาในขณะหนงมมวลของ I126 10 g จงหา ก. จะตองใชเวลาเทาใดจงจะม I126 เหลอจากการสลายอยเทากบ 2.5 g ข. ถาเวลาผานไป 20 d จะมปรมาณ I126 เหลออยเทาใด

วธทา ก. หาเวลาท I126 10 g สลายไปบางสวนและเหลออย 2.5 g

จากสมการ t0emm λ−=

t)d3.13/693.0(e)g10(g5.2 −=∴

หรอ )t(0521.0)t(0521.0 e4

g5.2g10

e1 +

− ===

take ln จะได; 4ln)e(lnt0521.0 =

d6.260521.0386.1

0521.04ln

t ===

คาตอบ นนคอจะตองรอเวลา 26.6 d จงจะเหลอ I126 จากการสลายไปบางสวน และเหลออย 2.5 g

ข. จากสมการ t0emm λ−=

)d20()d3.13/693.0(e)g10(m −=∴

ge10 042.1−=

g)8348811.2/1(10)e/1(10 042.1 == +

g527484.3)3527484.0(10 ==

56

คาตอบ นนคอเมอเวลาผานไป 20 d จะมปรมาณ I126 เหลออยเพยง 3.527484 g

อกวธหนงคอ ใชความสมพนธ n0

2NN = ดงน

ก. เมอมวลเดมของ I126 เทากบ 10 g และตอมาเหลอมวล 2.5 g

n2g10

g5.2 =∴

2n 24g5.2g10

2 ===

)2(ln)2(ln 2n =

2ln22lnn =

2n =

เนองจากครงชวตของไอโอดน คอ 13.3 d

ดงนน เวลาท I126 สลายไปเหลอเพยง 2.5 g d6.262)d3.13( =×=

สาหรบขอ ข. เนองจากเวลาทผานไป 20 d ไมเปนจานวนเทาของชวงครงชวต จะหาปรมาณธาตไอโอดนทเหลอ โดยใชสมการ n

0 2/NN = ไมได

ตวอยางท 20.2 ถามลกเตา 20 หนา แตแตมสไว 1 หนง จงหาโอกาสทลกเตาจะหงายหนาทแตมสไว และถาใชลกเตาชนดเดยวกนนจานวน 100 ลก มาทาการทดลอง แลวคดลกทหงายหนาแตมสออก จงหาจานวนครงของการทอดททาใหลกเตาเหลอ 25 ลก

วธทา โอกาสทลกเตาจะหงายหนาทแตมส 201

= ตอครง

หรอคาคงตวของการสลาย 201

= ตอครง

λ

=693.0T 2/1Q

57

86.13)20/1(

693.0T 2/1 ==∴

หาจานวนครงของการทอดลกเตาทเหลอ

n0 2NN

=Q

n225100

=∴

2n =

2/1nTt =Q

72.27)96.13)(2(t ==∴ ครง

คาตอบ จานวนครงของการทอดททาใหลกเตาเหลอ 25 ลก จะเทากบ 28 ครง

ตวอยางท 20.3 จากอนกรมการสลายของ U238 จงหาคาคงตวของการสลายของ PoและRa 218226

วธทา 2/1T

693.0=λQ

สาหรบ Ra226 : y620,1

693.0Ra =λ∴ ( Ra226 มครงชวต 1,620 y)

111 s1035.1 −−×=

คาตอบ คาคงตวของการสลายของเรเดยม -226 เทากบ 111 s1035.1 −−×

สาหรบ Po218 : s6005.3

693.0Po ×=λ∴ ( Po218 มครงชวต 3.05 min)

13 s1078.3 −−×=

คาตอบ คาคงตวของการสลายของ Po218 เทากบ 13 s1078.3 −−×

58

ตวอยางท 20.4 จงหามวลของ Pb214 ทมกมมนตภาพ 1 Ci เมอ Pb214 มครงชวต

26.8 min

วธทา หาคาคงตวของการสลาย : 2/1T

693.0=λQ

14 s1031.4s608.26

693.0 −−×=×

=λ∴

หามวลของ Pb214 : 0NMmN =

เมอ ,มวลm = ,ลกลนาหนกโมเM =

=×= mole/g1002.6N 230 เลขอาโวกาโดร

NdtdN

λ=−Q

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ×××=×∴ −−− mole/g1002.6

214m)s1031.4(s107.3 2314110

คาตอบ มวลของ Pb214 มคาเทากบ g101.3 8−×

ตวอยางท 20.5 ถาธาตกมมนตรงสตอนเรมตนประกอบดวย U234 3.00 mg เมอเวลาผานไป 62,000 y จะเหลออยเทาใด และคดเปนกมมนตภาพของ U234 ทเวลาตอนทายสดน ( =2/1T 2.48 × 510 y, =λ 8.88 × 1410− 1s− )

วธทา คาของ N คานวณจากคาเลขอาโวกาโดร และเลขมวลของธาตดงน

=0N 3.00 × 610− kg kmol/kg234

kmol/atom1002.6 26××

ถาให m คอมวลของยเรเนยมทเหลออย

59

234

1002.6mN26×

×= atom

และ tT693.0

t2/1

=λ

y102.6y1048.2

693.0 45 ××

×= 173.0=

แทนคาเหลานลงในสมการ t0 eNN λ−= จะได

173.026

626

e234

1002.61000.3234

1002.6m −− ××

××=×

×

173.06 e1000.4m −− ××= kg

173.0m

1000.3ln6

=× −

61052.2m −×= kg

จากสมการ (2.4) NA λ=

41088.8 −×= 1s− × 2.52 × 610− ×kmol/kg234

kmol/atom1002.6 26×

คาตอบ 51076.5 ×= dps

ตวอยางท 20.6 โพแทสเซยมทเกดตามธรรมชาต 46.3 mg มไอโซโทป K40 ซงมกมมนตภาพ บตา 1.5 dps อย 0.012% ของสารผสมธรรมชาต จงหาครงชวตของ K40

วธทา จานวนอะตอมของ K40 คอ

=Nkmol/kg40

kmol/atom1002.6kg103.46

100012.0 26

6 ×××× −

60

161037.8 ×= atom

λ

=693.0T 2/1

A

N693.0=

dps5.1

atom1037.8693.0 16××= s108.5 16×=

คาตอบ ครงชวตของ K40 s108.5 16×=

61

แบบฝกหด 20.3 การสลายของนวเคลยสกมมนตรงส คาสง จงกาเครองหมาย X ทบตวเลอก ก ข ค ง ทเหนวาเปนคาตอบทถกตองทสด 1. ถา ณ เวลา 0t = และ t มจานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงส N0 กบ N นวเคลยส ตามลาดบและ λ แทนคาตวของการสลาย จะปรากฏผลอยางไร ก. t

oeNN λ−=

ข. กมมนตภาพ (activity) NdtdN

λ=−=

ค. ทงขอ ก และ ข ง. )texp(NNo λ−=

2. ถา 2/1T แทนชวงเวลาครงชวต λ แทนคาคงตวของสลาย T แทนชวงเวลาชวตเฉลยหรออายเฉลย จะปรากฏผลอยางไร ก. λ= /693.0T 2/1

ข. λ

==1

693.0TT 2/1

ค. ทงขอ ก. และ ข ง. 2/1T693.0T = 3. ถา x แทนจานวนเทาของชวงเวลาครงชวต 2/1T จะสามารถเขยนสมการของการสลาย ของธาตกมมนตรงสใหม x ปรากฏอยดวยไดอยางไร

ก. x)21(NN o=

ข. xo 2NN =

ค. toeNN λ−=

ง. x)2

N(N 0=

4. โคบอลท – 60 มชวงเวลาครงชวต 5.3 ป จะมคาคงตวสลายตอไปเทาไร ก. 0.131 / ป

ข. 3.663 /ป ค. 4.605 /ป

ง. 5.300 /ป

62

5. C146 ทม 1910 นวคลไอ และมชวงเวลาครงชวต 5,770 ป จงหาคากมมนตภาพรงส

ก. 51081.3 × ตอวนาท

ข. 61081.3 × ตอวนาท ค. 71081.3 × ตอวนาท ง. 81081.3 × ตอวนาท

6. สารกมมนตรงสชนดหนงสลายได 10% เมอเวลาผานไป 5 ป จงหาวาอก 5 ป ตอไปสารนจะสลายไดอกกเปอรเซนตของปรมาณเดม

ก. 1 % ข. 5 %

ค. 6 % ง. 9 %

7. สารกมมนตรงส 512 กรม มนวเคลยสทไมเสถยร หลงจากเวลาผานไป 4 สปดาห ปรากฏวามสารเหลออย 32 กรม จงหาชวงเวลาครงชวตของสารน

ก. 4 สปดาห ข. 2 สปดาห

ค. 1 สปดาห ง. 3 วน

8. ภายหลงจาก 24 ชวโมง นวเคลยสของธาตกมมนตรงสชนดหนงมจานวน 1/8 เทาของตอน เรมวด จงหาเวลาครงชวตของธาตกมมนตรงสชนดน ก. 2 ชวโมง

ข. 4 ชวโมง ค. 6 ชวโมง

ง. 8 ชวโมง 9. ธาตกมมนตรงสชนดหนงมจานวนอะตอม 10105× อะตอม ถาคาคงตวของของการสลายม

คาเปน 8106 −× ตอนาท จงหากมมนตภาพรงสของธาตกมมนตรงสชนดน ก. 2100.1 × Bq

ข. 3100.3 × Bq ค. 4105.0 × Bq

ง. 5108.1 × Bq

63

10. สารละลายทม P3215 อยจะใหรงสบตาซงมชวงเวลาครงชวต 14 วน เมอตรวจสอบดวย

เครองนบไกเกอรจะนบได 310 ครงตอวนาท ถาทาการทดลองอกเมอ 28 วนตอมา เครองนบไกเกอรจะนบไดเทาใด ก. 750 ครงตอนาท

ข. 500 ครงตอนาท ค. 250 ครงตอนาท

ง. 125 ครงตอนาท 11. คาคงตวของการสลาย ของ Th232

90 เทากบ 18106.1 × )วนาท( 1− ถาม Th23290 อย

1 กโลกรม ใหหาอตราการสลายเปนอะตอมตอวนาท ก. 3102.4 ×

ข. 5106.9 × ค. 6101.4 × ง. 8106.9 ×

12. Na – 24 ม half – life 15 ชวโมง จะใชเวลานานเทาไรจงจะสลายเหลอเพยง 1/4 ของ จานวนเดม ก. 30 ชวโมง

ข. 15 ชวโมง ค. 7.5 ชวโมง

ง. 3 ชวโมง 13. ธาตกมมนตรงสหนงมชวงเวลาครงชวต 2.7 วน เมอเวลาผานไป 5.4 วนธาตนสลายไป เปนเศษสวนเทาใดของของเดม ก. 3 / 4

ข. 1 / 2 ค. 1 / 3 ง. 1 / 4

14. ธาตกมมนตรงสชนดหนงมจานวนนวเคลยส 1 กโลกรม ถามการสลายนบได 3 ชวงเวลา ครงชวตจะเหลอนวเคลยสนนกกรม

ก. 125 กรม ข. 166.7 กรม

ค. 200 กรม ง. 500 กรม

64

15. ในการเปลยนสภาพของนวเคลยสธาตกมมนตรงส X ไปเปนธาตกมมนตรงส Y พบวา ขณะทธาตทงสองอยในสภาพสมดล อะตอมของธาต X มคาเปน 6103× เทาของอะตอม ของธาต Y ถาครงชวตของธาต Y เทากบ 1,600 ป จงหาครงชวตของธาต X ก. 4103.5 × ป

ข. 3109.1 × ป ค. 9103.3 × ป

ง. 9108.4 × ป 16. ธาตกมมนตรงสชนดหนงมชวงเวลาครงชวต 2 ป เมอเรมตนมอย 10106.1 × อะตอม จะตองใชเวลาผานไปอกกปเทาไร จงจะเหลออยเพยง 4 x 10 10 อะตอม ก. 2

ข. 4 ค. 6

ง. 8 17. ธาตไอโอดน –126 มครงชวต 13.3 วน ถาเวลาผานไป 19.95 วน จะเหลอธาตไอโอดนอย รอยละเทาใด ก. 12.5

ข. 25 ค. 225 ง. 50

18. ฟอสฟอรส–32 จานวนหนงมครงชวต 14 วน จะใชเวลาในการสลายนานเทาใดจงจะเหลอ 25% จากเดม ก. 7 วน

ข. 14 วน ค. 24 วน

ง. 28 วน 19. ธาตกมมนตรงสชนดหนงมเวลาครงชวต 10 วน ถาเกบธาตนนจานวน 181024× อะตอม

ไว 30 วน จะเหลอธาตนนกอะตอม ก. 18103×

ข. 18104× ค. 18106×

ง. 18108×

65

20. ปลอยใหธาตกมมนตรงส A จานวน 1 หนวยสลายอยเปนเวลานาน 2 เทาของครงชวตไปเปนธาต B ซงเสถยรในชวงเวลาของการสลายของธาต A นนจะมธาต B เกดขน

ก. 1.00 หนวย ข. 0.75 หนวย

ค. 0.50 หนวย ง. 0.25 หนวย

21. ทอเรยม – 234 สลายใหรงสบตา โดยใชเวลา 80.1 วน จงจะใหจานวนของนวเคลยสของทอเรยมสลายไป 90 % จงหาเวลาครงชวตของทอเรยม –234 (กาหนดให Iog 3.2e10 = )

ก. 16.4 วน ข. 24.1 วน

ค. 30.0 วน ง. 48.0 วน

22. ธาตไอโอดน –126 มครงชวต 12 วน นายสมานไดรบธาตไอโอดน – 126 เขาไปในรางกาย 16 กรม เปนเวลากวน ไอโอดน –126 ในรางกายนายสมาน จงจะลดลงเหลอ 2 กรม

ก. 12 วน ข. 24 วน

ค. 36 วน ง. 48 วน

23. ธาตกมมนตรงส A มเวลาครงชวตนานเปน 2 เทาของเวลาครงชวตของธาตกมมนตรงส B ถา A และ B ตางมกมมนตภาพเทากน จงหาอตราสวนของจานวนอะตอมของ A : B

ก. 1/2 ข. 2 ค. 1/4 ง. 4

24. ไอโซโทปของโซเดยม )Na(2411 มครงชวต 15 ชวโมง จงหาวาเวลาผานไป 75 ชวโมง

นวเคลยสของไอโซโทปนจะสลายไปแลวประมาณกเปอรเซนตของจานวนทตงตน ถาตอนเรมแรกนวเคลยสของไอโซโทปนมคา 5 คร

ก. 75 % ข. 87.5 %

ค. 94 % ง. 97 %

66

25. อนกรมทอเรยม อนกรมยเรเนยม และอนกรมแอกทเนยม เปนการสลายของธาต กมมนตรงสในธรรมชาตตอๆ กนไป อนกรมทงสามนมสงทเหมอนกนคอ

ก. เลขมวล 2n4 += ข. เรมตนดวยธาตยเรเนยม ค. ปดทายอนกรมดวยธาตตะกว ง. ไมมอะไรเหมอนกนเลย

67

20.4 ไอโซโทป (Isotopes)

นกวทยาศาสตรจาแนกอะตอมประเภทตางๆ โดยใชจานวนโปรตอนและนวตรอน ไดดงน

1. ไอโซโทป หมายถง อะตอมของธาตชนดเดยวกน มจานวนโปรตอน หรอเลขเชงอะตอมเทากน แตมจานวนนวตรอนตางกน (Z เหมอนกน แต A ตางกน) เชน ธาตไนโตรเจนม 4 ไอโซโทป คอ N,N,N,N 15

7147

137

127 เนองจากเปนไอโซโทปของธาตชนดเดยวกน

จงมสมบตทางเคมเหมอนกน แตมสมบตทางรงสตางกน 2. ไอโซโทน (isotone) หมายถง อะตอมทมจานวนหรอเลขนวตรอนในนวเคลยส

เทากนแตมเลขเชงอะตอมหรอมจานวนโปรตอนตางกน เชน C,B,Be,Li 126

115

104

93 ธาตทงส

เปนไอโซโทนซงมเลขนวตรอน (neutron number) เทากบ 6 3. ไอโซบาร (isobar) หมายถง อะตอมทมเลขมวลหรอจานวนนวคลออน A เทากน

เชน N,C,B 127

126

125 ธาตทงสามเปนไอโซบารทมเลขนวคลออนเทากบ 12

ตารางท 20.5 แสดงลกษณะและตวอยางของ ไอโซโทป ไอโซโทน และไอโซบาร

ประเภทของอะตอม

เลขเชงอะตอม (Z)

เลขมวล (A)

เลขนวตรอน (N) ตวอยาง

ไอโซโทป เหมอนกน ตางกน ตางกน C,C 136

126

ไอโซโทน ตางกน ตางกน เหมอนกน Be,Li 104

93

ไอโซบาร ตางกน เหมอนกน ตางกน C,B 126

125

ทมา : ศลกษณ ทรรพนนทน. 2527

20.4.1 กมมนตภาพรงสธรรมชาตและไอโซโทป (Natural Radioactivity and Isotopes)

ในการสลายของธาตกมมนตรงส ทใหธาตกมมนตรงสชนดใหมซงมสมบต ทางเคมแตกตางออกไปจากนวเคลยสแม เชน

RnRaTh 22286

22688

23090 ⎯→⎯⎯→⎯ αα

RnRaTh 22486

22888

23290 ⎯→⎯⎯→⎯ αα

68

เมอตรวจสอบโดยวธสเปกโทรสโกป (spectroscopy) พบวา และTh23090 Th232

90 ม สเปกตรมตรงกน ธาต 2 ชนดนเปนธาตกมมนตรงสทมเลขมวลตางกนแตมเลขเชงอะตอมเหมอนกน มสมบตทางเคมเหมอนกนและแยกดวยวธทางเคมไมได นกฟสกสดานการทดลองคนพบธาตอนๆ ทมลกษณะเปนคๆ เชนนอกมาก

ป พ.ศ. 2456 ซอดดและฟาจาน (Soddy and Fajan) ไดศกษาการสลายของธาตกมมนตรงสแลวสรปเปน กฎการกระจดของการแผรงส (displacement law of radioactivity) วา

1) ถาธาตกมมนตรงสสลายให He42 ออกมาเลขเชงอะตอมจะลดลง 2 และ

เลขมวลจะลดลง 4 และตารางธาตจะเลอนไปทางซายมอสองธาต 2) สาหรบการสลายบตาทให e0

1− นน เลขเชงอะตอมจะเพมขน 1 แตเลขมวล คงตวและธาตในตารางธาตจะเลอนไปทางขวา 1 ธาต เชน

)II(234922

234911

23490)I(

23892 UUxUxU ⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯

−β−βα

พจารณาตารางธาตประกอบแลวเขยนผงการสลาย (decay scheme) ใหมไดเปน

ThUPaThU 23090

23492

23491

23490

23892 ⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯ α−β−βα

โดย U,U 23492

23892 เปนไอโซโทปของธาตชนดเดยวกนซงมจานวนโปรตอนเทากน

สวน PaและTh 23491

23490 เปนไอโซบารของธาตตางชนดกนแตมเลขมวลเทากน สาหรบไอโซโทนของธาตนนจะสงเกตในตารางธาตพบวา ธาตทอยในแนวตง

(column) เดยวกน จะมจานวนนวตรอนเทากน

20.4.2 การวเคราะหรงสบวกและการมจรงของไอโซโทป (Positive Rays Analysis and the Existence of Isotopes)

หลงจากททาการพสจนยนยนดวยการทดลองไปแลววา ไอโซโทปมจรงในธาตกมมนตรงส เมอป พ.ศ.2456 ทอมสน (Thomson) ใชสเปกโทรกราฟมวล (mass spectrograph) ดงรปท 20.41 พสจนใหเหนวาไอโซโทปมจรงในกลมธาตธรรมดาเชนกน โดยทาการทดลองแสดงการเบนของรงสหรอลาไอออนบวก

69

รปท 20.41 (ก) สเปกโทรกราฟมวลของทอมสนสาหรบใชในการวเคราะหรงสบวก (ข) การกอเกด (formation) ของกราฟพาราโบลาซงเกดจากรงสบวก

ทอมสนทาการวเคราะหรงสบวก (หรอไอออนบวก) โดยปลอยแกสทจะศกษาเขาไปในหลอด A กระทงหมนเวยนภายในเครองสาเรจจนทวแลวปดปมสญญากาศ จากนนปรบความตางศกยในหลอด A จนไดศกยปลอยประจประมาณ 30,000–50,000 V

เมอลาไอออนบวกผานเขาสสนามแมเหลก Bv และสนามไฟฟา Ev ในทศทขนานหรอสวนทศกน สนามทงสองจะเบนทศทางของลาไอออนบวก ใหไปตกบนแผนภาพถาย (photographic plate) หรอจอวาวแสง (fluorescent screen) S เปนรอยทาง (track) รปพาราโบลาโดยสมการของเสนพาราโบลาแตละเสน เขยนเปนฟงกชนของ m/e ของไอออนทมมวลตางกน ถาสนาม แมเหลก Bv และสนามไฟฟา Ev มคาคงตวแลว ไอออนบวกทมอตราเรว vตางกน แตมคา

m/e เทากน จะพงไปตกบนเสนพาราโบลาเสนเดยวกน สวนไอออนบวกทมคา m/e ตางกน จะพงไปตกบนเสนพาราโบลาคนละเสน แตถาไมมสนาม แมเหลกและสนามไฟฟาแลว ลา

70

ไอออนบวกจะไปตกบนแผนภาพถายตามแนวแกน x โดย ความเขมของเสนพาราโบลาจะสอดคลองกบอบนแดนซ (abundance) ของไอออนเหลานนทมอยในของผสมซงมหลายไอโซโทป ในป พ.ศ. 2463 ทอมสนใชนออน (Ne) เปนตนกาเนดลาไอออนบวกแลววเคราะหขอมลทไดดงรปท 20.42

รปท 20.42 (ก) กราฟพาราโบลาจากลาไอออนบวกโดยวธการของทอมสน

(ข) กราฟพาราโบลาจรงซงภาพลางใชเวลานานกวาภาพบน

จากรปจะสงเกตพบวา เสนกราฟพาราโบลาทเขมมากมตาแหนงสอดคลองกบ Ne20 สวนเสนกราฟพาราโบลาทมความเขมนอยกวามตาแหนงสอดคลองกบ Ne22 แสดงวา ธาตธรรมดาคอแกสนออนมไอโซโทปอย 2 ไอโซโทปทมสมบตเหมอนกนแตม เลขมวลตางกน ทอมสนหาไอโซโทปกอบนแดนซของนออนจากความเขมของภาพพบวา ไอโซโทปของ Ne20 มอบนแดนซอย 90 % สวนไอโซโทปของ Ne22 ม อบนแดนซอย 10 % ดงนนจงมนาหนกเชงอะตอมเชงเคมเปน

2.2010010x22

10090x)20( =⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛

ตอมาแอสตนไดแกไขสเปกโทรกราฟมวลของทอมสนใหมกาลงการแยกชด (resolution) สงขนและใหภาพทคมชดขน แลวตรวจสอบไอโซโทปของนออนพบวานออนมไอโซโทปท 3 คอ Ne21 ซงมอบนแดนซประมาณ 0.3 %

71

แอสตนใชสเปกโทรกราฟมวลของเขาตรวจสอบไอโซโทปของธาตตางๆ ซงวดมวลไดอยางเทยงตรงและแสดงใหเหนอยางเดนชดวา ตามปกตแลวธาตตางๆ จะเปนของผสมทประกอบดวยไอโซโทปหลายไอโซโทป เขาทาการวดไอโซโทปกอบนแดนซธรรมชาต (natural isotopic abundance) ของไอโซโทปของธาตแตละธาตใหผลลพธทแมนยาในยาน 1/1,000 โดยนยามไอโซโทปกอบนแดนซวา เปนจานวนอะตอมของไอโซโทปของธาตชนดหนงทมอยในธรรมชาตเปรยบเทยบกบไอโซโทปอนของธาตชนดเดยวกนมคาเปนคาคงตวสมพทธ (relative constant) ซงเขยนในตารางนวไคลดแทนดวย อบนแดนซสมพทธ (relative abundance) ของไอโซโทปของธาตนนๆ ในหนวยของเปอรเซนตอะตอม (atom percent) หรอไมมหนวย โดยเปอรเซนตอะตอมนยามวา เปนเปอรเซนตของไอโซโทปของอะตอมของธาตเฉพาะธาตหนง เชน ถานาแกวหนงประกอบดวย O18 จานวน 10x23.8 อะตอมของออกซเจนและมไอโซโทปกอบน

แดนซของ O18 อย 0.20 % นนคอนาแกวนจะมอะตอมของ

O18 10x65.1)100/20.0(x)อะตอม10x23.8( == อะตอม

มวลเชงอะตอมของธาตหนงนยามวา เปนมวลเชงอะตอมเฉลยของไอโซโทปของธาตนน โดยหามวลเชงอะตอมของธาตไดจาก ผลบวกของผลคณระหวางไอโซโทปกอบนแดนซของไอโซโทปกบมวลเชงอะตอมของไอโซโทปนน เชน ถาตองการหามวลเชงอะตอมของ Bo โดยมขอมลคอ Bo10 และ Bo11 มเปอรเซนตอบนแดนซเชงอะตอม 20 % และ 80 % โดยมมวลเชงอะตอมมคาเปน 10.01 u และ 11.01 u ตามลาดบ ดงนน มวลเชงอะตอมของ Bo )Boของ(%x)Boอมของมวลเชงอะต( 1010=

)Boของ(%x)Boอมของมวลเชงอะต( 1111+

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

10080x)u01.11(

10020x)u01.10(

u808.8u002.2 +=

u81.10=

คามวลเชงอะตอมของ u81.10Bo = เปนคาทใสลงไปในตารางธาต แมวาจานวนมวลเชงอะตอมของ Bo จะเขาใกล 11 มากกวา 10 ซงสะทอนความจรงวา ไอโซโทปของ Boทหนกมเปอรเซนตอบนแดนซมากกวาไอโซโทปทเบา และพบวาไอโซโทปของธาตชนดเดยวกนมเปอรเซนตอบนแดนซตางกน เชน ออกซเจนในธรรมชาตม 3 ไอโซโทปคอ O16 มเปอรเซนตอบนแดนซ (ซงจากนไปจะเรยกสนๆ วา อบนแดนซ) 99.8 % สวน O17 มอบนแดนซประมาณ

72

0.037 % และ O18 มอบนแดนซประมาณ 0.204 % โดยคาดงกลาวเปนเปอรเซนตทอะตอมของธาตนนๆ มอยในแตละไอโซโทปซงหาไดจาก สเปกโทรกราฟมวล

รปท 19.43 สเปกโทรกราฟมวลบงชวานออนม 3 ไอโซโทป

ตอมามนกวทยาศาสตรอกหลายทานไดพฒนาสเปกโทรกราฟมวลเพอใชวจยดานไอโซโทปใหมกาลงการแยกชดสงขนไปอกและพบวา นออนม 3 ไอโซโทป คอ ,Ne,Ne 2120

และ Ne22 โดยมอบนแดนซเปน 90 %, 0.27 %, และ 9.73 % ตามลาดบ

20.4.3 ไอโซโทปกแมส และไอโซโทปกอบนแดนซ (Isotopic Masses and Isotopic Abundances)

ในป พ.ศ.2462 แอสตน (Aston) ไดแกไขสเปกโทรกราฟมวลของทอมสนใหมการแยกชด (resolution) ไอออนทมมวลตางกนออกจากกนไดดกวาเดม โดยไอออนซงมคา

m/e คาเดยวกนจะถกโฟกสไปตกทจดเดยวกน แทนการเปนเสนพาราโบลาในแบบของ ทอมสนนนคอ แอสตนไดเพมความไว ความละเอยดแมนยา และความเทยงตรงไดสงกวาดงรปท 20.43

การทางานของสเปกโทรกราฟมวลของแอสตนเรมตนจากการทประจบวกจากหลอดปลอยประจเคลอนทผานชองเลกยาว (slit) 21 SและS แลวพงเขาสแผนโลหะขนาน และP1 2Pสนามไฟฟาระหวางแผนโลหะขนาน 21 PและP ทาใหไอออนเบยงเบนพงไปยงแผน 2P โดยไอออนทมอตราเรวตาจะเบนไดมากกวา เนองจากในลาแคบๆ ของอนภาคจะม อตราเรวของอนภาคอยในชวงกวาง แอสตนใชไดอะแฟรม D ทาหนาทคดอนภาคทมอตราเรวตางกนมากออกไป แลวไอออนทมอตราเรวใกลเคยงกนจงพงผาน D แบบลออกเขาสสนามแมเหลก O ซงม

73

ทศทางตงฉากกบกระดาษ สนามแมเหลก O ทาหนาทเบนทางเดนของไอออน โดยไอออนทมความเรวตาจะถกเบนมากกวาไอออนทมความเรวสง ไอออนทม m/e คาเดยวกน แตพลงงานจลนตางกนเลกนอยจะพงไปตกบนแผนภาพถายทจดเดยวกน

รปท 20.44 สเปกโทรกราฟมวลเครองแรกของแอสตนเมอป พ.ศ.2463

สาหรบไอออนอนทมพลงงานจลนชวงเดยวกน แตม m/e ตางกนจะถกโฟกสไปตก ณ อกตาแหนงหนงปรากฏเปนรอยเสนหลายๆ รอยบนแผนภาพถาย จงเรยกรอยเสนชดนวา สเปกตรมมวล (mas spectrum) แอสตนทาการวดในเชงปรมาณเพอนาขอมลมาวเคราะหคาสเปกตรมมวล โดยเปรยบเทยบตาแหนงของเสนทเกดจากมวลซงตองการวเคราะหเทยบกบตาแหนงของสารมาตรฐานททราบคามวลอยางถกตองแลว แอสตนใชสเปกโทรกราฟมวลชดนพสจนขอสงสยทเคยมเกยวกบนออนวามอยเพยง 2 ไอโซโทป ซงมมวลใกลเคยงกบ 20 และ 22 ตามลาดบ

นอกจากนแอสตนยงแสดงใหเหนวา สเปกตรมมวลของแกสคลอรน ไมมเสนทสอดคลองกบนาหนกเชงอะตอมทางเคมซงมคาเทากบ 35.46 เลย เพราะมเพยงสองเสนทไปสอดคลองและใกลเคยงมากทสดกบคลอรนซงมมวล 35.0 และ 37.0 โดยคลอรนตวแรกมความเขมของเสนสเปกตรมมวลมากกวาคลอรนตวหลง

ตอมาแอสตนไดปรบปรงแกไขใหสเปกโทรกราฟมวลเครองทสองของเขาใหวดคา ไอโซโทปกอบนแดนซ ไดละเอยดถง 1/10,000 แลวใชเครองมอดงกลาวตรวจวดคาไอโซโทปก อบนแดนซของธาตตางๆ อยางมากมายและสงเกตพบวา คามวลเชงอะตอมของธาตเกอบจะเปนเลขลงตว โดยเทยบกบมวลของออกซเจนเทากบ 16 เชน ไอโซโทปของคลอรนมมวล 34.983 และ 36.980 ดงนนไอโซโทปของคลอรนจงไมไดมคาเปน 35 และ 37 อยางทเคยเขาใจแตเดม และ

Cl,Cl 3735 มอบนแดนซเปน 75.529 % และ 24.471 % ตามลาดบ

74

ตอมาแอสตน เดมพสเตอร เบนบรดจ จอรแดน (Aston, Dempster, Bainbridge, Jordan) และนกวทยาศาสตรคนอนๆ ไดปรบปรงแกไขและพฒนาสเปกโทรกราฟมวลใหวดคาไดละเอยดแมนยาขนไปอก จนสามารถวดคาไอโซโทปก อบนแดนซไดละเอยดถง 1/100,000

ในการศกษาเกยวกบไอโซโทป มสาระสาคญเนนชดท 1) อบนแดนซของมวลไอโซโทป

2) เปรยบเทยบจานวนอะตอม (ใชหาอบนแดนซ) ไดเหมอนกน แตไมสะดวก และรวดเรวเทากบการวดโดยตรงจากสเปกโทรกราฟมวล ในขณะทแอสตนปรบปรงสเปกโทรกราฟมวลอยนน เดมพสเตอร (Dempster) สรางเครองสาเรจขนมาอกชนดหนงคอ สเปกโทรมเตอรมวล (mass spectrometer) ซงวดออกมาในรปของกระแสไอออน (ion current) ดงรปท 20.44 (ในขณะทสเปกโทรกราฟมวลใชวธบนทกลงบนแผนภาพถาย) สเปกโทรมเตอรมวลมหลกการทางานคอ

(1) สวนเรงอนภาค เมอไอออนบวกออกจากแหลงกาเนดไอออน จะถกสนามไฟฟาทตออยระหวางแหลงกาเนดไอออนและ 1S ซงมความตางศกย V ประมาณ 1000 V เรงใหมอตราเรวสงขนเปน v พงผานชองเลกยาว 21 SและS ซงทาหนาทจากดปรมาณของไอออนทจะผานเขาไปยงสวนคดเลกความเรว

(2) สวนคดเลอกความเรว เปนบรเวณทมสนามไฟฟา Ev และสนามแมเหลก Bv ซงม ทศทางตงฉากกนและตงฉากกบทศทางการเคลอนทของไอออน เมอไอออนบวกประจ e มวล m และมอตราเรว v ผานเขาไปในสวนคดเลอกความเรว สนามไฟฟาจะออกแรงกระทาขนาด

eEFE = มทศทางไปทางขวา สวนสนามแมเหลกจะออกแรงกระทาขนาด evBFB = มทศทางไปทางซายนนคอ แรงทสนามทงสองออกกระทาตอไอออนบวกจงมทศทางตรงขาม

ถาอตราเรวของไอออนบวกมคาทเหมาะสม จะทาใหขนาดของแรงเนองจากสนามทงสองมคาเทากน ดงนน

evBeE =

หรอ BEv = (20.17)

ดงนน เราสามารถหาอตราเรวไดจากผลหารระหวางขนาดของสนามไฟฟากบสนามแมเหลกในบรเวณของสวนคดเลอกความเรว

75

รปท 20.45 สเปกโทรมเตอรมวล

เมอแรงเนองจากสนามทงสองมคาเทากน ไอออนบวกจงเคลอนทเชงเสนตรงพงเขาสชองเลกยาว 3S ผานเขาไปยงสวนวเคราะห สวนไอออนบวกทมอตราเรวไมเหมาะสมจะไมเคลอนทเชงเสนตรง ไอออนกลมนจงพงเขาไปยงสวนวเคราะหไมได

(3) สวนวเคราะห กลมไอออนบวกซงมอตราเรวทเหมาะสม v พงเขาสสวนวเคราะหซงมสนามแมเหลก B′v ในทศทางพงขนตงฉากกบกระดาษและตงฉากกบทศทางการเคลอนท ของกลมไอออนบวก แรงเนองจากสนามแมเหลก B′v กอใหเกดแรงทมขนาด BevFB ′=′ ทาใหกลมไอออนบวกเคลอนทในเสนทางทเปนสวนหนงของวงกลม ซงทาใหเกดแรงสศนยกลางทมขนาด R/mvF 2

B =′ กลมไอออนบวกหรอไอโซโทปทมมวลตางกนจะเคลอนทในเสนทางทเปนสวนหนงของวงกลมทมรศมตางกน นนคอ

R

mvBevF2

B =′=′

76

E

RBeBvRBem

′=

′= (20.18)

สมการ (20.18) มความหมายวา มวลของไอออนบวกหรอมวลของอนภาคเปนปฏภาคตรงกบรศมความโคง ดงนนสวนวเคราะหจงทาหนาทวเคราะหไอโซโทปจากการวดรศม และเนองจากแตละไอโซโทปมมวลตางกนจงเคลอนทไปในเสนทางวงกลมทมรศมตางกน เนองจากมคาทวดไดจากการทดลองคอ Rและ,B,B,e ′ จงหามวลเชงอะตอม m ของไอโซโทปของธาตตางๆ ได

รปท 20.46 สเปกตรมมวลของปรอท

กลมไอออนบวกทม m/e ตางกนจะตกกระทบเครองตรวจหา (detector) คนละตาแหนง และทตาแหนงตางๆ บนผวของเครองตรวจหาไดฝงมาตรศกยไฟฟาสถต (electrometer) เอาไวหลายชดและแตชดของมาตรศกยไฟฟาสถตตอกบเครองขยาย (amplifier) กระแสเอาไว เมอกลมไอออนบวกตกกระทบจะเกดกระแสไอออนขน ปรมาณกระแสไอออนทมาตรศกยไฟฟาสถตวดไดเปนปฏภาคตรงกบจานวนไอออนบวกทตกกระทบ จงเขยนกราฟแสดงความสมพนธระหวางกระแสไอออนกบมวลเชงอะตอมไดดงรปท 20.46 เปนสเปกตรมมวลของปรอททมคาไอโซโทรปกอบนแดนซเกอบจะเปนปฏภาคตรงกบขนาดของยอด (peak) ของกระแสไอออนบวก

77

แบบฝกหด 20.4 ไอโซโทป คาสง จงกาเครองหมาย X ทบตวเลอก ก ข ค ง ทเหนวาเปนคาตอบทถกตองทสด 1. ถาเรงไอโซโทปออกจากจากบรเวณทมความตางศกย V ผานเขาไปในสวนคดเลอกความเรว และบรเวณวเคราะหทมสนามแมเหลก B รศมความโคง R ของไอโซโทปเปลยนแปลงกบ มวลไอโซโทป (m) ตามกราฟรปใด 2. จงเลอกขอความทถกตองทสด

ก. นวคลไอ (nuclei) ทมเลขเชงอะตอมเหมอนกนแตมมวลตางกนเรยกวา ไอโซโทป ข. ไอโซบาร คอ นวคลไอทมเลขมวลตางกน ค. เราเรยกนวคลไอทมเลขนวตรอนเทากนวา ไอโซโทป ง. ทงขอ ก, ข และ ค

3. จงเลอกขอความทถกตอง ก. ตามกระบวนการวดมวลของไอโซโทปเราใชทงสนามไฟฟาและสนามแมเหลก ข. ทงสเปกโทรกราฟมวล และเปกโทรมเตอรมวลเปนเครองวดมวลของไอโซโทป ค. ในกระบวนการวดมวลไอโซโทปกใชวธทเรยกวา โฟกสอตราเรวดวย ง. ถกทง ก, ข และ ค

4. คากลาวตอไปน ขอใดไมถกตองเสมอไป ก. นวเคลยสทมจานวนนวคลออนยงมากขน จะมเสถยรภาพมากยงขน ข. ไอโซโทปของธาตเดยวกนจะแสดงสมบตทางเคมเหมอนกนแตสมบตทางฟสกส

ตางกน ค. ไอโซโทปเปนธาตตางกนทมจานวนนวตรอนเทากนแตมเลขมวลตางกน ง. ไอโซบารเปนธาตตางกนทมเลขมวลเทากนแตมจานวนนวตรอนตางกน

5. สงใดตอไปน ทแตละตวไมเหมอนกนทกประการ ก. อเลกตรอน

ข. โปรตอน ค. นวตรอน

ง. ไอโซโทป

78

6. จงเลอกขอทมใจความถกตอง ก. ธาตมลฐาน 4 อยางตามทฤษฎของดอลตน คอ ดน นา ลม และไฟ ข. คา 1 หนวยมวลเชงอะตอมหรอ 1 u เทากบมวลเชงอะตอมของ C12

6 ค. เลขเชงอะตอมคอจานวนนวตรอนในนวเคลยสของอะตอม ง. เลขมวลคอจานวนนวคลออนในนวเคลยสของอะตอม

7. ไอโซโทป คอกลมนวเคลยสทมสงใดทเทากนหรอเหมอนกน 1. เลขเชงอะตอม 2. เลขมวล 3. สมบตทางเคม 4. สมบตทางฟสกส ขอใดถกตอง ก. ขอ 1, 2 และ 3

ข. ขอ 1 และ 3 ค. ขอ 2 และ 4

ง. ขอ 4 8. จงเลอกขอความทสอดคลองถกตองกบ K39

19 และ Th23390

ก. K มเลขเชงอะตอม 19 และ Th มนวตรอน 142 ข. K ม 19 โปรตอน และ Th มเลขเชงอะตอม 142 ค. K มเลขมวล 39 และ Th ม 142 โปรตอน ง. K ม19 อเลกตรอน และ Th มเลขมวล 92

9. จงพจารณาขอความตอไปน 1. ไอโซโทปของธาตหนงๆ จะแสดงสมบตทางเคมเหมอนกนแตสมบตทาง ฟสกสตางกน 2. ไอโซโทปตางๆ ของธาตหนงมจานวนนวคลออนในนวเคลยสเทากน ขอใดถกตอง

ก. ขอ 1 ถก ขอ 2 ถก และ2 เปนเหตผลของ 1 ข. ขอ 1 ถก ขอ 2 ถก แต2 ไมเปนเหตผลของ 1 ค. ขอ 1 ถก ขอ 2 ผด ง. ขอ 1 ผด ขอ 2 ถก

79

ตอไปนเปนกลมนวเคลยสหรอนวไคลดของธาตตาง ๆ ใชเปนขอเลอกตอบสาหรบขอ 10 -12 ก. He,He,H 4

232

21

ข. C,C,C 146

136

126

ค. O,N,C 158

147

136

ง. Ca,K,Ar 4020

4019

4018

10. นวไคลดกลมใดทเปนกลม isotope 11. นวไคลดกลมใดทเปนกลม isotone 12. นวไคลดกลมใดทเปนกลม isobar 13. เมอนวเคลยสของธาต X212

82 แผรงสออกมาตามลาดบดงน เปนธาต Y ม 2 β – particle แลว ธาต Y แผรงสออกเปน ธาต Z ให 1α – particle จงไดนวเคลยสทเสถยร ใหหาวา ในนวเคลยสของ Z มจานวนโปรตอนและนวตรอนอยอยางละกอนภาคตามลาดบ ก. 80, 126

ข. 82, 126 ค. 82, 130

ง. 84, 136 14. ไอโซโทปตวหนงของพลโตเนยม –239 ซงมเลขเชงอะตอม 93 จะมจานวนนวตรอนในนวเคลยส และจานวนอเลกตรอนในวงโคจรทงสนเทาไร ก. 93, 0

ข. 146, 93 ค. 239, 146

ง. 332, 239 15. ไอออน 14

2He+ และ 132He+ วงเขาเครองสเปกโทรมเตอรมวลดวยความเรวเทากน

อตราสวนของรศมความโคงของ 142He+ ตอ 13

2He+ คอ ก. 1 : 1

ข. 3 : 2 ค. 2 : 3

ง. 4 : 3

80

16. ตามรป เปนบรเวณวเคราะหของเครองสเปกโทรมเตอรมวล ไอออนชนดหนงวงผานชอง s เขาไปในบรเวณวเคราะหโดยทามม o30 กบแนวทตงฉากกบ xy เมอนาฟลมไปลางพบวา

มรอย 2 รอยท 1A และ 2A ถา 1sA : 2sA เทากบ 3 : 4 อตราสวนของมวลไอออนจะ เปนเทาไร

ก. 3 : 4

ข. 2:3 ค. 4:3

ง. 3 : 2 17. ของผสมประกอบดวยธาตคารบอนซงมมวลเชงอะตอมเปน 12.0 และธาตอนอก 1 ธาต เมอ ทาใหมประจเทากนและผานเขาไปในแมสสเปกโทรกราฟ ปรากฏวาทางเดนของคารบอน รศม 22.4 เซนตเมตร และอกธาตหนงมรศม 26.2 เซนตเมตร มวลเชงอะตอมของธาตนน มคาเทาใด ก. 13.0

ข. 14.0 ค. 15.0 ง. 16.0

18. คารบอนอะตอมมวล 12 u เคลอนทผานความตางศกย 3102× โวลต ในเครอง สเปกโทรมเตอรมวลเขาไปในบรเวณทมสนามแมเหลกขนาด 0.3 เทสลา ถาประจของ คารบอนอะตอม เทากบ 19106.1 −× คลอมบ ระยะระหวางจดทคารบอนอะตอมเขาส สนามแมเหลกและจดทตกกระทบแผนฟลมคอขอใด (กาหนดให 1 u 19106.1 −×= กโลกรม) ก. 0.74 เซนตเมตร

ข. 1.48 เซนตเมตร ค. 7.4 เซนตเมตร

ง. 14.8 เซนตเมตร

s

81

19. นวเคลยสของธาต X ทมเลขมวลเทากบ 112 จะมรศมเปนกเทาของธาต Y ทมเลขมวล เทากบ 14 ก. 2 เทา

ข. 3 เทา ค. 4 เทา

ง. 5 เทา 20. ยเรเนยม U238

92 สลายให 8 อนภาคแอลฟา 6 อเลกตรอนและไอโซโทปของธาตใหมธาต ทไดมเลขเชงมวลและเลขเชงอะตอมเทาใด ก. 82, 206

ข. 91, 234 ค. 206, 82

ง. 234, 91

82

20.5 เสถยรภาพของนวเคลยส (Nuclear Stability)

สมบตของนวเคลยสจาแนกไดเปน 2 ชนด คอ 1. สมบตพลวต (dynamical property) เชน การเกดปฏกรยานวเคลยร การสลาย

ของนวเคลยสของธาตกมมนตรงส 2. สมบตสถต (static property) เชน มวล รศม ประจ โมเมนตมเชงมม สปน

พลงงานยดเหนยว (binding energy) ในเบองตน จะกลาวถงสมบตสถตในสถานะพนทสาคญบางประการเทานน

20.5.1 มวลและพลงงานของนวเคลยส (Mass and Energy of Nucleus)

เมอหาผลตางระหวางมวลของอะตอมกบมวลของอเลกตรอนจะไดผลลพธเปน มวลของนวเคลยสซงมคาประมาณ 99.975 % ของมวลเชงอะตอม ดวยเหตทมวลของนวเคลยสและมวลเชงอะตอมมคาใกลเคยงกนมาก ดงนน ในฟสกสนวเคลยรจงนยมใชมวลเชงอะตอมแทนมวลของนวเคลยส ยกเวนสาหรบอนภาคทเปนนวเคลยสของอะตอมของไฮโดรเจน และอะตอมของฮเลยมหรออะตอมของธาตทหนกกวา การศกษามวลเชงอะตอมของนกวทยาศาสตรหลายคน ไดแก ในตนป พ.ศ. 2359 เพราท (Prout) เสนอแนวคดวา นาหนกเชงอะตอม (atomic weight) ของธาตตองเปนเลขลงตว (whole number) และธาตทกชนดตองมไฮโดรเจนเปนองคประกอบ ดงนนมวลของธาตใดๆ จะเปนจานวนเตมเทาของมวลเชงอะตอมของไฮโดรเจน แตจากการทดลองและทาการวดขอมลอยางละเอยดพบวา ธาตบางชนดมนาหนกเชงอะตอมเปนเศษสวน เชน

นาหนกเชงอะตอมของคลอรน 46.35= นาหนกเชงอะตอมของทองแดง 54.63=

ขอมลนทาใหสมมตฐานของเพราทลมเลกไป

ตอมานกวทยาศาสตรไดสรางเครองสเปกโทรกราฟมวล ซงใชสนามแมเหลกและสนามไฟฟาเหวยงมวลทมนาหนกตางกนไปตกคนละตาแหนงเชน ใสคลอรน 100 g เขาเครองสเปกโทรกราฟมวล จะมคลอรนมวล 75.529 g ถกเหวยงไปตกทหนง สวนคลอรนมวล 24.471 g ถกเหวยงไปตกยงอกทหนง เรยกผลเชนนวา ไอโซโทปก อบนแดนซ ซงแสดงวา คลอรนม 2 ไอโซโทปคอ Cl35

17 มนาหนกเชงอะตอม 34.98 และมอบนแดนซอย 75.529 % สวน Cl3717 ม

นาหนกเชงอะตอม 36.98 และมอบนแดนซอย 24.471 % เมอใชกฎการแจกแจง (distribution law) จะหานาหนกเชงอะตอมเฉลยของคลอรนไดเปน

83

)x(100)471.24u98.36()529.75u98.34( =×+×

46942.35x = u

จากการพสจนถงความมอยจรงของไอโซโทปในธาตกมมนตรงสไดผลสรปวา ธาตสวนใหญประกอบดวยหลายไอโซโทป และเลขมวลของแตละไอโซโทปจะมคาใกลเคยงกบ เลขจานวนเตม ในป พ.ศ.2429 ครกส (Crookes) เสนอแนวคดวา มวลเชงอะตอมตองเปน เลขจานวนเตมและธาตทงหลายทมมวลเชงอะตอมไมเปนเลขจานวนเตม แสดงวา เปนของผสม เชน คลอรนมมวลเชงอะตอม 35.46 u คลอรนจงเปนของผสมของอะตอมทมมวล 34 35 และ 36 u ดวยสดสวนททาใหมวลเชงอะตอมเฉลยเทาทไดน เมอรวมความคดของครกส และ การคนพบธาตกมมนตรงส ในปลายศตวรรษท 19 พรอมกบศกษาสมบตของธาตกมมนตรงส พบวา ธาตชนดเดยวกนอาจจะมมวลตางกนแตมเลขเชงอะตอมเหมอนกนและมสมบตทางเคม เหมอนกน โดยซอดดเรยกชอวา ไอโซโทป เมอ isos หมายความวาเทากน และ topes หมายความวา สถานท สาหรบธาตทมสมบตทางเคมเหมอนกน แตมมวลตางกน และอยใน ตาแหนงเดยวกนในตารางพรออดก (periodic table) เชน ไอโซโทปของตะกว (Pb) เปนธาต กมมนตรงสทมเลขมวล 214, 212, 211 และ 210 และตะกวทไมเปนธาตกมมนตรงสมเลขมวล 206, 207 และ 208 นกวทยาศาสตรใชสเปกโทรมเตอรมวลศกษาธาตกมมนตรงสจนคนพบไอโซโทปซงเปนสปชสเชงอะตอมของธาต โดยไอโซโทปหมายถงธาตชนดเดยวกนทมสมบตคอ มมวลตางกน มเลขเชงอะตอมเทากน และ มปฏกรยาเคมเหมอนกน เชน ธาตยเรเนยม ม 2 ไอโซโทป คอ U238

92 และ U23592 ซงมอบนแดนซเปน 99.2 % และ 0.73 % ตามลาดบ สวนตะกว

ทเปนไอโซโทปกมมนตรงสม 4 ไอโซโทปคอ ,Pb21482 ,Pb212

82 Pb21182 และ Pb210

82 และมตะกวทไมเปนไอโซโทปกมมนตรงสอก 3 ไอโซโทปคอ Pb,Pb 207

8220682 และ Pb208

82 นนคอนวไคลดของตะกวม 7 ไอโซโทป โดยมมวลอยระหวาง 206–214 แสดงวามเสถยรภาพ (stability) ในชวงกวางซงเราทราบไดจากความเปนกมมนตภาพรงสนนเอง

แอสตนอาศยสมมตฐานของเพราทและขอมลทวาเลขมวลหรอมวลเชงอะตอม ของแตละไอโซโทปของธาตแทบทกชนดมคาใกลเคยงกบเลขจานวนเตม สรางเปนกฎของเลขทไมมการแบงแยก (whole number rule) ซงกลาววา นาหนกเชงอะตอมของธาตทงหลายจะตองใกลเคยงกบเลขจานวนเตม (integer) และมนาหนกเชงอะตอมบางตวทเปนเลขเศษสวน ซงหาไดโดยวธทางเคมนน เปนเพราะมนมไอโซโทปมากกวา 2 ตวขนไป โดยแตละตวเกอบจะเปนนาหนกเชงอะตอมจานวนเตม (integer atomic weight) กฎนไดจากการทดลองวเคราะหรงสของไอออนบวกของสารตางๆ พบวา อนภาคทมประจบวก ซงเบาทสดมมวลเทากบอะตอมของไฮโดรเจนซงมประจไฟฟาบวก 1 ประจ และขนาดของประจไฟฟามขนาดเทากบประจไฟฟาของ

84

อเลกตรอน ขอมลนเปนหลกฐานยนยนวา อนภาคนเปนนวเคลยสของอะตอมของไฮโดรเจนซงมมวลเกอบเทากบ 1 u

เมอผสมผสานระหวางกฎของเลขเชงอะตอมทไมมการแบงแยกและสมบตของนวเคลยสของไฮโดรเจน นาสการตงสมมตฐานวา นวไคลดเชงอะตอม (atomic nuclide) ประกอบขนจากนวไคลดของไฮโดรเจนและตงชอนวเคลยสของไฮโดรเจนใหมวาโปรตอนซงเปนองคประกอบมลฐานของอะตอมทกชนด

กฎของเลขทไมมการแบงแยกเปนเพยงการประมาณคา แตมความแมนยาสงถงหนงในพน และเมอพจารณามวลของนวเคลยสใดๆ ทมนาหนกเชงอะตอมซงเกอบเปนจานวนเตม A จงตงสมมตฐานวา นวเคลยสมโปรตอนอย A ตว ถาเปนดงน นวเคลยสจงมประจไฟฟาเทากบ A (ซงเกอบเทากบนาหนกเชงอะตอม)

การวดมวลเชงอะตอมใชมาตราสวนทแตกตางกน 2 ชนด คอ มาตราสวนเชงเคม (chemical scale) และมาตราสวนเชงฟสกส (physical scale) โดยมาตราสวนเชงเคมถอวามวลของออกซเจนในอากาศ มคาเทากบ 16.000000 u (unified mass unit) สาหรบมวลของออกซเจนในอากาศในมาตราสวนเชงฟสกสจะมคาแตกตางไปจากมวลในมาตราสวนเชงเคมเลกนอย โดยในมาตราสวนเชงฟสกสนนไดคามวลของออกซเจนในอากาศจากการหาคาเฉลยระหวางไอโซโทปของ O16

8 ทมมวล 16.000000 u มอบนแดนซอย 99.759 % สวนไอโซโทปของ O17

8 ทมมวล 17.004529 u มอบนแดนซอย 0.037 % และไอโซโทปของ O188 ทมมวล

18.004840 u มอบนแดนซอย 0.204 % เมอใชกฎการแจกแจงหาคาเฉลยจากคาตวเลขทงสามของไอโซโทปของออกซเจนจะไดนาหนกเชงอะตอมเฉลยของออกซเจนตามมาตราสวนเชงฟสกสไดเปน

)x(100)204.0u004840.18()037.0u004529.17()759.99u000000.16( =×+×+×

u004461.16x =

นากฎการแจกแจงหาคาเฉลยมาเขยนใหอยในรปแบบของแบบจาลองเชงคณตศาสตร ซงเขยนแทนดวยสมการ

∑ν

==

=

Ni

1i

ii

100m

m (20.19)

เมอ iν เปนไอโซโทปก อบนแดนซของไอโซโทปท i และ im เปนมวลเชงอะตอมของธาตท i

85

ตวอยางท 20.6 จงหามวลเชงอะตอมของออกซเจนในอากาศเมอ

ไอโซโทป อบนแดนซ (%) มวลเชงอะตอม (u) O16 99.759 16.000000 O17 0.037 17.004529 O18 0.204 18.004840

วธทา จากสมการ (20.29) มวลเชงอะตอมของออกซเจน

∑ν

==

=

Ni

1i

ii

100m

m

100

)}u004529.17(x)037.0{(100

)}u000000.16(x)759.99{(+=

100

)}u004840.18(x)204.0{(+

u036729.0u006292.0u961440.15 ++=

u004461.16=

คาตอบ มวลเชงอะตอมของออกซเจนในอากาศมคา u004461.16=

นาคาทไดจากตวอยางท 20.9 ไปเปรยบเทยบกบตวเลขทไดจากมาตราสวนเชงเคม จะได

000279.1000000.16004461.16

งเคมตราสวนเชงอะตอมในมานาหนกเชงฟสกสตราสวนเชงอะตอมในมานาหนกเช

==

ในศาสตรดานนวเคลยร คานาหนกเชงอะตอมใชในแบบมาตราสวนเชงฟสกส โดยมวลทวดตามมาตราสวนเชงเคมจะอางถงนาหนกเชงอะตอมของธาต สวนมวลทวดตามมาตราสวนเชงฟสกสจะอางถงนาหนกของไอโซโทป

เนองจากอะตอม นวเคลยส และอนภาคมลฐานตางๆ มขนาดเลกมากเมอเทยบกบ

86

สสารในสงแวดลอมทเราคนเคย จงไมเหมาะสมทจะใชในการวดมวลของวตถทมขนาดเลกมากในหนวยทเราคนเคย คอ g kg จงกาหนดหนวยใหมขนมาเพอใชกบอนภาคทมขนาดเลกๆ ดงกลาว โดยใชอะตอมของธาตคารบอนเปนมาตรฐาน

ในป พ.ศ.2503 สหภาพสากลของฟสกสบรสทธและฟสกสประยกต (the international union of pure and applied physics) ไดกาหนดใหใชมวลของคารบอน )C(12 เปนมาตรฐานมคาเทากบ 12 พอด โดยมวล 1 u หรอ 1 amu (atomic mass unit) ซงเขยนแทนดวยอกษรยอ u หรอ amu นยามวา เทากบ 1/12 ของมวลของอะตอม C12 ทเปนกลางและนยามวา

)Cมมวลของอะตอ(121amu1u1 12

6==

kg10660559.1 27−×=

และพลงงานทสมมล (equivalent) กบหนวยมวลเชงอะตอม หาไดจากทฤษฎสมพทธภาพพเศษของไอนสไตน ดงน

2mcE =

2827 )s/m109979.2()u/kg10660559.1()u1( ××= −

J10492411.1 10−×=

MeV/J10602189.1J10492411.1

13

10

−

−

××

=

MeV482828.931=

ดงนน มวลขนาด 1 u จะใหพลงงานไดประมาณ 931.5 MeV เมอนยามวา 1 eV (electron volt) คอ พลงงานททาใหอเลกตรอน 1 อนภาค เคลอนท ผานสนามไฟฟาทมความตางศกย 1 V ได และ J10602189.1eV1 19−×=

87

ตวอยางท 20.7 ไอโซโทปของโพแทสเซยม K3919 และ K41

19 มปรมาณในธรรมชาต

93.26 และ 6.73 % ตามลาดบ ถานาหนกเชงอะตอมของไอโซโทปดงกลาวมคาเปน 38.9637 และ 40.9818 u ตามลาดบ จงหานาหนกเชงอะตอมของโพแทสเซยม

วธทา นาหนกเชงอะตอมของโพแทสเซยม

)0673.0u9818.40()9326.0u9637.38( ×+×= คาตอบ u0956.39=

ตวอยางท 20.8 จงหาพลงงานทเกดจากมวลนงของอเลกตรอน 1 อนภาค

วธทา 2mcE =Q

2831 )s/m109979.2()kg101095.9(E ××=∴ −

J10187076.8 14−×=

MeV/J10602189.1J10187076.8

13

14

−

−

××

=

MeV510993.0=

MeV511.0=

คาตอบ พลงงานทเกดจากมวลนงของอเลกตรอน 1 อนภาค มคาเปน 0.511 MeV หรอกลาวอกนยหนงไดวา MeV511.0me =

นนคอ นกวทยาศาสตรสามารถวดมวลของนวเคลยสไดจากการวดพลงงานซงไดจากปฏกรยา โดยวดเทยบกบคาของ C12

6 ซงมมวล 12 u ซง

kg10)00002.066043.1(u1 27−×±=

คดเปนพลงงานได 931.478 ± 0.005 MeV

ดงนน เมอวดเทยบกบ C126 แลวทาใหไดคา

88

มวลเชงอะตอมของไฮโดรเจน H11 Hm=

u007825.1=

มวลเชงอะตอมของออกซเจน O168 Om=

u00000028.099491494.15 ±=

20.5.2 ขนาดของนวเคลยส (Nuclear Size)

ในปจจบนยงไมมวธการใดๆ ทใชวดขนาดของนวเคลยสไดโดยตรง เราทาได ดวยการวดทางออมเทานน ขนาดของนวเคลยสทวดไดขนอยกบการทดลองๆ แตละแบบจะใหผลในการวดขนาดของนวเคลยสทมคาแตกตางกนไป

ในป พ.ศ. 2454 รทเทอรฟอรดและคณะ เปนนกวทยาศาสตรคณะแรกทวดขนาดของนวเคลยสได โดยใชอนภาคแอลฟาเปนกระสนพงเขาชนอะตอมซงทาหนาทเปนเปาแลวอนภาคแอลฟาเกดการกระเจง (scattering) ทาใหพบนวเคลยสเปนครงแรก เมอศกษารปแบบของการกระเจงจะอธบายไดวา อะตอมประกอบดวยมวลสวนใหญทมประจบวกและมขนาดเลกอยตรงใจกลางซงลอมรอบดวยการโคจรของอเลกตรอน และหาขนาดของนวเคลยสไดคาประมาณ m10 15− โดยใชอนภาคแอลฟาทมพลงงานจลนอยางนอยทสด 2 MeV เปนกระสน แตถาใชอนภาคอนเปนกระสนจะตองมพลงงานจลนอยางนอยทสด ดงน เมอใชอนภาคโปรตอนเปนกระสนจะตองมพลงงานจลนอยางนอยทสด 8 MeV เมอใชอนภาคอเลกตรอนเปนกระสนจะตองมพลงงานจลนอยางนอยทสด 120 MeV ในการหาขนาดของนวเคลยสมวธพนฐาน 2 วธ คอ

1. วธทางนวเคลยร (nuclear method) รศมของนวเคลยสทวดไดโดยใชวธน เรยกวารศมแรงนวเคลยร (nuclear force radius) ซงเปนระยะจากจดศนยกลางของนวเคลยสถงอนภาคทเขาไปอยภายใตอทธพลของแรงนวเคลยรซงเปนแรงพสยสน แตอาจจะขยายออกไปนอกขนาดทแทจรงเลกนอย ดงนนรศมของนวเคลยสโดยวธน จะมคาสงกวาความเปนจรงเลกนอย

2. วธทางแมเหลกไฟฟา (electromagnetic methods) รศมของนวเคลยสทหาไดโดยใชวธนเรยกวา รศมประจ (charge radius) โดยพจารณาการแจกแจงในนวเคลยสแบบตางๆ ซงการแจกแจงทนาพอใจแบบหนงคอ การคดวาความหนาแนนของประจจากจดศนยกลางของนวเคลยสออกมาทระยะใดๆ ทแนนอนมคาสมาเสมอซงจะไมลดลงเปนศนยในทนท แตจะลดลงอยางชาๆ ทผวของนวเคลยสดงรปท 20.47 รศมประจทคานวณไดโดยวธนจะมคานอยกวารศมของนวเคลยร

89

รปท 20.47 การเปลยนแปลงของความหนาแนนของนวเคลยสดวยระยะทางจากจดศนยกลาง ของนวเคลยสโดยเสนประเปนการแจกแจงอยางสมาเสมอของประจสาหรบ นวเคลยสทมรปรางเปนทรงกลม สวนเสนทบแสดงการแจกแจงทมความหนาแนน ลดลงทบรเวณใกลกบผวของนวเคลยส

การทดลองของวธการทง 2 แบบ มวธการวดขอมลทตางกน ใหผลสรปเปนรศมของนวเคลยส R เขยนแทนดวยสมการ

3/10ARR = (20.20)

เมอ A เปนเลขมวล และ 0R เปนคาพารามเตอรรศม (radial parameter) มคาระหวาง m1048.1ถง1020.1 1515 −− ×× ขนกบวธตางๆ ทใชในการทดลอง ในการหารศมของ

นวเคลยสจะตองอาศยความรของกลศาสตรควอนตม ในทนจะกลาวถงเพยงบางวธทไมยากเกนไปสาหรบการศกษาในระดบน การกระเจงของรทเทอรฟอรดเปนวธทใชหารศมของนวเคลยสจากการแจกแจงมวลของนวเคลยส

90

รปท 20.48 แสดงการทดลองของรทเทอรฟอรดในหองปฏบตการ

โดยใชอนภาคแอลฟาทาหนาทเปนกระสนทมพลงงานจลน E ยงไปชนแบบเฉยง (oblique collision) กบนวเคลยสเปาซงเปนธาตทหนก เชน ทองคา )Au(197

รปท 20.49 (ก) การกระเจงของอนภาคแอลฟาเมอชนแบบเฉยงกบนวเคลยสเปา (ข) การกระเจงยอนกลบไปในทศทางเดมเมออนภาคแอลฟาชนแบบ ประสานงากบนวเคลยสเปา

91

จากนนทาการวดมมขนาดตางๆ ทกระสนกระเจงไปจากทศทางเดม ดงรปท 20.49 (ก) และถาอนภาคแอลฟาชนกบนวเคลยสเปาแบบประสานงา (head on collision) อนภาคแอลฟาจะเกดการกระเจงยอนกลบ (backward scattering) ไปยงทศทางเดมดงรปท 20.49 (ข)

การกระเจงดงกลาวขนกบความหนาแนนของนวเคลยสเปา พลงงานจลนของอนภาคแอลฟา มมกระเจง และเลขมวลของนวเคลยสเปา โดยจะเกดแรงผลกทางไฟฟาระหวางประจของนวเคลยสเปากบประจของอนภาคแอลฟา โดยมระยะทางชวงหนงซงอนภาคแอลฟาเขาใกลนวเคลยสเปามากทสด เรยกระยะนวา พารามเตอรกระทบ (impact parameter) ทาใหอนภาคแอลฟาเบยงเบนทศทางออกไปจากทศทางเดม กอใหเกดการกระเจงขน โดยขนาดของแรงผลกทางไฟฟาระหวางประจของนวเคลยสเปากบประจของอนภาคแอลฟาเขยนแทนดวยสมการ

e2dZe

41F 2

0⋅⋅

πε= (20.21)

เมอ e เปนประจอเลกตรอน Z เปนเลขเชงอะตอมของนวเคลยสเปา d เปนระยะหางระหวางอนภาคแอลฟากบนวเคลยสเปา งานซงกระทาโดยแรงผลกเพอทาใหอนภาคแอลฟาเคลอนทชาลง กอใหเกด พลงงานศกย V เขยนแทนดวยสมการ

e2dZe

41V

0⋅⋅

πε= (20.22)

เมอพลงงานศกย V เนองจากแรงผลกเทากบพลงงานจลนของอนภาคแอลฟา อนภาคแอลฟาจะหยดนงชวขณะหนง แลวจะเรมเคลอนทยอนกลบไปในทศทางเดม เมออนภาคแอลฟาเขาใกลนวเคลยสเปามากทสด เขยนแทนดวยสมการ

e2dZe

41mv

21

00

2 ⋅⋅πε

= (20.23)

20

2

0 mvZed

πε= (20.24)

d0 เปนระยะหางทอนภาคแอลฟาเขาใกลนวเคลยสเปามากทสด (คอคาพารามเตอรกระทบ)

92

เมอ kg10664.0g10664.0)mol/g1002.6/(4m 262323 −− ×=×=×=

=×= s/m105.1v 7 ความเรวเฉลยของอนภาคแอลฟา

ถา 20Z =

27262212

219

0 )s/m105.1()kg10664.0()m.N/C10854.8()7/22()C10602.1(20

d××××××

××=∴ −−

−

m102346398.1 14−×=

จากการทดลองเพอหาขนาดของนวเคลยสน สงเกตพบวา ปรมาตรของนวเคลยสเปนสดสวนโดยตรงกบจานวนนวคลออน เขยนแทนดวยสมการ

AV α

และถาคดวานวเคลยสมรปรางเปนทรงกลมและปรมาตรของทรงกลมเขยนแทนดวยสมการ

3R34V π=

3RV α∴

นนคอ AR3 α

หรอ 31AR α

ดงนน 310ARR = (20.25)

เมอ 0R เปนคาคงตว

ในการศกษาการกระเจงระหวางนวเคลยสเปาชนดตางๆ กบอนภาคแอลฟาทมระดบพลงงานตางๆกนพบวา 0R มคาอยระหวาง m105.1ถง102.1 1515 −− ×× จงนยมใชคา 0R

เปนคาเฉลยของสองคาน คอ fm4.1m104.1R 150 =×= −

เมอนยามวา m10femtometer1fm1F1 15−===

93

เราสามารถใชสมการ (20.25) คานวณหารศมของนวเคลยสของนวไคลดตางๆ ได เชน สาหรบคารบอน )12A( = ;

3/115 )12()m104.1(R ××= −

m1021.3 15−×=

สาหรบยเรเนยม )238A( = ;

3/115 )238()m104.1(R ××= −

m1068.8 15−×=

นนคอ รศมของนวเคลยสทงหมดจะแปรคาอยระหวาง m10ถง10 1514 −−

20.5.4 แรงนวเคลยร (Nuclear Force)

เมอพจารณาภายในนวเคลยสทมขนาดเลกมากซงประกอบดวยอนภาคมลฐานเบองตนคอ โปรตอนทมประจบวกและนวตรอนซงไมมประจไฟฟา จะมอนตรกรยาระหวางโปรตอนกอใหเกดแรงผลกคลอมบทมคาสงมาก ขนาดของแรงผลกนหาไดจากกฎของคลอมบซงเขยนแทนดวยสมการ

221

0 rqq

41

Fπε

= (20.26)

ตวอยางเชน ขนาดของแรงผลกคลอมบระหวางโปรตอน 2 อนภาค ซงอยหางกน m10 15− มคาเทากบ

N103.2)m10(

e4

1F 13215

2

0×=

πε= −

ถาภายในนวเคลยสมจานวนโปรตอนเพมขนเมอเปนธาตทหนกขน จะเกดแรงผลก คลอมบระหวางโปรตอนในนวเคลยสสงขน จงเกดคาถามวา ทาไมนวเคลยสจงยงคงรปอยได แสดงวา การทนวคลออนรวมตวกนอดแนนอยภายในนวเคลยสไดนน จะตองมแรงดงดดทมขนาดสงกวาแรงผลกคลอมบระหวางโปรตอนมาก แรงดงกลาวเรยกวา แรงนวเคลยร (nuclear force) ซงมแรงทมโอกาสเปนไปได คอ

94

1. แรงระหวางโปรตอนกบโปรตอน (p–p) 2. แรงระหวางนวตรอนกบนวตรอน (n–n) 3. แรงระหวางโปรตอนกบนวตรอน (p–n)

ไมวาจะพจารณาใหแรงทงสามชนดดงกลาวแตกตางกนอยางไร กไมสามารถทาใหนวเคลยสคงรปอยได นกวทยาศาสตรจงคดวา นาจะมแรงแลกเปลยน (exchange force) ระหวางอนภาคโปรตอนและนวตรอนทยดนวคลออนใหอดรวมตวกนอยไดภายในนวเคลยส โดยแรงนอาจจะเปนแรงดงดดหรอแรงผลกกได ขนอยกบสภาวะของอนภาคโปรตอนและนวตรอน

ป พ.ศ. 2475 ซงแชดวกคนพบนวตรอน ไฮเซนแบรก (Heisenberg) นาเสนอแนวคดวา แรงนวเคลยรเปนแรงซงเกดจากการแลกเปลยนอนภาคอเลกตรอนหรอโพซตรอน ระหวางอนภาคโปรตอนกบอนภาคนวตรอน ดงสมการ

ν++→ −epn

nep →+ −

ν++→ +enp

pen →+ +

เมอ νν+e เปนอนภาคโพซตรอน (positron) นวทรโน (neutrino) และแอนต นวทรโน ตามลาดบ ตอมาสมมตฐานนไดลมเลกไปเนองจากพบวา แรงนวเคลยรทคานวณ ไดจากสมมตฐานนมคานอยมาก ในป พ.ศ. 2478 ยคาวา นาเสนอแนวคดหรอสมมตฐานซงพฒนากลายเปนทฤษฎวาดวยอนภาคมซอนของแรงนวเคลยร เพออธบายแรงนวเคลยรโดยอนภาคมซอนทกลาวถงในทฤษฎนคอ ไพออน หรอ ไพมซอน (pion or π-meson) ซงมมวลประมาณ 200 เทาของมวลอเลกตรอน โดยไพออนดงกลาวประกอบดวย −+ πππ0 ตามชนดของประจ ยคาวาอธบายวา รอบๆ แกนของแตละนวคลออน ประกอบดวยกลมของอนภาคไพออน ซงแรงระหวางนวคลออนเกดจากการแลกเปลยนอนภาคไพออน โดยแรงระหวางอนภาคโปรตอนกบนวตรอน เขยนแทนดวยสมการ

−π+→ pn

np →π+ −

+π+→ np

95

pn →π+ +

แรงระหวางอนภาคโปรตอนกบโปรตอน เขยนแทนดวยสมการ

0pp π+′→

แรงระหวางอนภาคนวตรอนกบนวตรอน เขยนแทนดวยสมการ

0nn π+′→

แรงนวเคลยร มความแรง (strength) สงกวาแรงผลกคลอมบระหวางโปรตอนทงหมดในนวเคลยสมาก เมอเปรยบเทยบขนาดโดยประมาณแลวพบวา ถาเรยงลาดบของแรงซงเกดจากอนตรกรยาทงสจากมากไปหานอย (โดยประมาณ) ดงรปท 50

รปท 20.50 แสดงการเปรยบเทยบความแรงของแรงพนฐาน 4 ชนด

1. แรงแบบเขม (strong force) มความแรง 1≅ เปนแรงขนาดมหาศาล ทยดนวคลออนใหอยดวยกนในนวเคลยส เนองจากตองเอาชนะแรงผลกคลอมบ แตเกดใน พสย (range) สนมาก ประมาณ m10 15− 2. แรงแมเหลกไฟฟา (electromagnetic force) มความแรง 137/1≅

แรง แบบเขม

แรงแมเหลก ไฟฟา

แรง โนมถวง

แรง แบบออน

96

3. แรงแบบออน (weak force) มความแรง 610−≅ สวนมากแลวจะเปนแรงซงเกดกบอนภาคมลฐานนอกนวเคลยส เชน แรงกระทาระหวางอนภาคเมซอนกบ เลปตอน หรอเลปตอนกบแบรออน หรอเลปตอนกบเลปตอน 4. แรงโนมถวง (gravitational force) มความแรง 39106 −×≅ รปท 20.51 แสดงการเปรยบเทยบความแรงของแรงพนฐาน (fundamental forces) 4 ชนด จากการศกษาในชวงเวลาทผานมา สามารถสรปสาระสาคญของแรงนวเคลยรไดวา แรงนวเคลยรเปนแรงดงดด ทจะตองมคามากกวาแรงผลกคลอมบระหวางอนภาคมลฐานในนวเคลยส นวเคลยสจงจะคงสภาพอยได โดยท

1. แมวาแรงนวเคลยรจะเปนแรงดงดด แตเปนแรงทพสยสนทมคานอยกวา m105.0 15−× ซงเปนชวงของแรงผลก เรยกวา แกนของแรงผลก (repulsive core) โดยผล

ของแรงผลกดงกลาวทาใหนวคลออนไมรวมตวกน และถาพสยมากกวา m10 15− จะไมมแรงนวเคลยรเลย

2. แรงนวเคลยรเปนแรงซงไมเกยวของกบประจหรอกลาวอกนยหนงไดวา เปน แรงทไมขนกบประจไฟฟา สงผลใหไมมความแตกตางกนเลยระหวาง

แรงระหวางโปรตอนกบโปรตอน (p–p) แรงระหวางนวตรอนกบนวตรอน (n–n) แรงระหวางโปรตอนกบนวตรอน (p–n)

3. แรงแบบเขมกอใหเกดแรงนวเคลยรระหวางนวคลอออนซงเปนแรงทมขนาด มหาศาลทสดทเกดเองตามธรรมชาต แตซอนอยอยางลกลบในนวเคลยส เราทราบจากการศกษาโครงสรางอะตอมวา แรงดงดดระหวางโปรตอนในนวเคลยสกบอเลกตรอนทโคจรอยรอบนวเคลยส ทาใหอเลกตรอนไมหลดออกจากวงโคจรของมน แตถาใหพลงงานจากภายนอกขนาด 13.6 eV ขนไป กระทาตออเลกตรอนในอะตอมของไฮโดรเจนแลว อเลกตรอนจะหลดออกมาจากวงโคจรของมนกลายเปนอเลกตรอนอสระ นนคอ พลงงานดงกลาวมความเกยวของกบแรงทนวเคลยสยดเหนยวอเลกตรอนเอาไว ในทานองเดยวกน เมอตองการศกษาแรงนวเคลยร จะตองใหพลงงานจากภายนอกกระทาตอนวเคลยสเพอแยกนวคลออน ออกจากกน โดยนยามพลงงานททาใหนวคลออนแยกออกจากกนไดพอดวา พลงงานยดเหนยว

20.5.4 พลงงานยดเหนยว (binding energy : B.E.)

เมอใหพลงงานจากภายนอกคอ รงสแกมมาทมพลงงานไมตากวา 2.22 MeV เปนกระสนยงไปยงนวเคลยสเปาคอ อนภาคดวเทอรอน (เปนนวเคลยสของธาตไฮโดรเจนคอ ดวเทอเรยม

H21 ) ซงประกอบดวยนวคลออนคอ โปรตอนและนวตรอนอยางละ 1 อนภาค หลงจากดวเทอรอน

97

ไดรบพลงงานแลว จะแยกออกเปนโปรตอนและนวตรอนแสดงวา พลงงานของรงสแกมมาทตกกระทบนวคลออนคอ พลงงานยดเหนยวของดวเทอรอน เราสามารถหาพลงงานยดเหนยวของดวเทอรอนได ดงน นวเคลยสของดวเทอรอนประกอบดวย

โปรตอน 1 อนภาค มมวล u007276.1mp ==

นวตรอน 1 อนภาค มมวล u008665.1mn ==

มวลของนวคลออนของดวเทอรอน np mm +=

u008665.1u007276.1 +=

u015941.2=

แตมวลจรงของดวเทอรอน u013554.2m ==

นนคอ ผลรวมของมวลของโปรตอนและนวตรอนในดวเทอรอนมากกวามวลจรงของ ดวเทอรอน จงขยายแนวคดไดวา สาหรบธาตทหนกขน มจานวนนวคลออนมากขน จะตองมสมบตสาคญทคลายกนของทกนวเคลยส คอ ผลตางระหวาง ผลรวมของมวลของทกนวคลออนในนวเคลยส )mm( np + กบ มวลจรงของนวเคลยสนน เรยกวา สวนเกนมวล (mass excess) หรอ สวนพรองมวล (mass defect) ทมมวลสวนหนงเกนมาหรอมวลสวนหนงหายไปเขยนแทน ดวยสญลกษณ m∆ ทมคาเทากบ m)mm( np −+

∴ สวนพรองมวลของดวเทอรอน m)mm(m np −+=∆=

u013554.2u015941.2 −= u002387.0=

เปลยนสวนพรองมวลเปนพลงงานโดยใชสมการ 2mcE ∆=∆

พลงงานทเกดขนจากสวนพรองมวลของดวเทอรอน )u/MeV5.931()u002387.0(=

MeV2234905.2=

พลงงานทเกดขนจากสวนพรองมวล เรยกวา พลงงานยดเหนยว ทาหนาทยด นวคลออนเอาไวในนวเคลยส เขยนเปนสมการสาหรบใชในการคานวณหาพลงงานยดเหนยว นวคลออนของนวเคลยสทวไปได ดงน

98

MeV5.931]mm)ZA(Zm[.E.B np ×−−+= (20.27)

เมอ Z เปน เลขเชงอะตอม mp เปน มวลโปรตอน (หนงสอบางเลมใช MH ซงเปนมวลเชงอะตอมของไฮโดรเจน) ZAn −= เปน เลขนวตรอน mn เปน มวลนวตรอน m เปน มวลจรงในหนวย u

ขอมลทวไปในทางนวเคลยรและทางเคมแสดงคาของมวลเชงอะตอมมากกวามวลของนวไคลด โดยทนวไคลดหนงจะมโปรตอน Z อนภาค และมนวตรอน n อนภาค โดยทวไปแลวในตารางธาตจะมตวเลขซงบอกมวลเชงอะตอม และการหาคาพลงงานยดเหนยวจากมวลเชงอะตอมจงสะดวกกวา ดงนน ถาตองการทราบคามวลทถกตองของนวเคลยส หาไดจากสมการ

eZmmM +=

หรอ eZmMm −= (20.28)

เมอ M เปน มวลเชงอะตอม และ eZm เปน มวลของอเลกตรอนทงหมดในอะตอมนน

แทนสมการ (20.28) ลงไปในสมการ (20.27) จะได

MeV5.931)]ZmM(m)ZA(Zm[.E.B enp ×−−−+= MeV5.931]Mm)ZA()mm(Z[ nep ×−−++=

MeV5.931]Mm)ZA(ZM[ nH ×−−+= (20.29)

เมอ MH == u007825.1 มวลของไฮโดรเจนอะตอม

20.5.5 พลงงานยดเหนยวตอนวคลออน (Binding Energy per Nucleon : B.E./ A)

การหาพลงงานยดเหนยวตอนวคลอนของดวเทอรอนไดจากสมการ

MeV11.1222.2

A.E.B

nucleon.E.B

===

99

รปท 20.51 คาเฉลยของ B.E./ A ของนวไคลดเสถยรทมเลขมวล 20–209 พลงงานยดเหนยวตอนวคลออนจะเปลยนแปลงไปตามคาของเลขมวล ดงน

1. สาหรบนวไคลดเสถยรทมขนาดเลกนนคา B.E./ A จะเพมขนอยางรวดเรว ตามคาของเลขมวล (ดงรปท 20.51) เนองจากเมอจานวนนวคลออนเพมขน จะมแรงดงดดสงขน

2. สาหรบนวไคลดเสถยรทมคาของเลขมวลระหวาง 11–20 จะมคา B.E./A อยระหวาง 7.5–8.8 MeV โดยมคาเฉลยของ B.E./A ประมาณ 8.0

3. สาหรบนวไคลดเสถยรของ Fe5626 พบวาม B.E./ A สงสด โดยมคา

ประมาณ 8.8 MeV สาหรบนวไคลดเสถยรของนวเคลยสทมเลขมวลมากกวา 56 ขนไป เชน Pu240

94 ม 94 โปรตอน และ 146 นวตรอน การทนวไคลดมจานวนโปรตอนสงขน จะเกดแรงผลก ระหวางโปรตอนสงขน สงผลใหคาของ B.E./A มคาลดลง

คาของมวลเชงอะตอม สวนพรองมวล พลงงานยดเหนยว และพลงงานยดเหนยวตอ นวคลออน นาเสนอเปนตวอยางไวในตารางท 20.7

100

ตารางท 20.7 ตวอยางมวลเชงอะตอม (M) สวนพรองมวล )m(∆ พลงงานยดเหนยว (B.E.) และ B.E./A ของธาตบางอยาง

ทมา : นวลฉว รงธนเกยรต. 2545

จากตารางท 20.7 จะสงเกตพบวา มวลเชงอะตอมและเลขมวลมคาใกลเคยงกน แอสตนจงกาหนดความสมพนธระหวางคาทงสองโดยนยามวา อตราสวนระหวางสวนพรองมวล (ซงเปนผลตางของมวลเชงอะตอมและเลขมวล) ตอ หนงหนวยมวล (คอเลขมวล) เรยกวา เศษสวนการรวมมวล หรอ แพกกงแฟรกชน (packing fraction, P.F.) เขยนแทนนยามนดวยสมการ

101

เศษสวนการรวมมวล เลขมวล

เลขมวลมวลอะตอม −=

A

AM.F.P

−=∴ (20.30)

จะเหนวา นวไคลดซงมเลขมวลตาจะมคาของเศษสวนการรวมมวลสง เชน Be,H,H 721 และมคาลดตาลงจนเปนศนยสาหรบ C12 แลวคาเศษสวนการรวมมวลยงคงลดตาลง

ไปอก จงมคาตดลบ จนกระทงเลขมวลมคาราว 180 คาเศษสวนการรวมมวลจงจะเรมมคาเปนบวก จากนนไปจะมคาเปนบวกสงขนตามเลขมวลทมคาเพมขน ดงรปท 20.51 ซงจะเปนกราฟตรงขามกบคา B.E./ A ดงรปท 20.52

รปท 20.52 ความสมพนธระหวางเศษสวนการรวมมวลและเลขมวล

จากการทยอมรบกนวา อะตอมประกอบดวยอนภาคมลฐาน 3 ชนด คอ โปรตอน นวตรอน และอเลกตรอน ทมสมบตตางๆ ดงแสดงไวในตารางท 20.7 นนคอ ถาทราบวา นวไคลดหนงประกอบดวยอนภาคมลฐานดงกลาวเปนจานวนเทาใดแลว เราสามารถทานายมวลของนวไคลดนนซงบางครงเรยกวา มวลไอโซโทปก (isotopic mass) ได แตมวลทไดจากการทานายในลกษณะนเทยบกบมวลไอโซโทปกทไดจากการทดลองจะมคาตางกน กลาวคอ มวลไอโซโทปกจะมคานอยกวามวลทคานวณได ซงเปนผลรวมระหวางมวลของอนภาคซงเปนสวนประกอบ เราเรยกเรยกมวลทหายไปวา สวนพรองมวล เมอพจารณามวลของโปรตอนและ

102

นวตรอนอสระจะพบวา ผลรวมระหวางมวลของโปรตอนและนวตรอนตามจานวนอนภาคมลฐานของโปรตอนและนวตรอนทควรจะมอยในนวเคลยสกลบมคาสงกวามวลเชงอะตอม ทงนแมมวลของอเลกตรอนในนวเคลยสจะยงไมไดคดชดเชยความแตกตางระหวางมวลดงกลาวน สามารถอธบายไดโดยอาศยทฤษฎสมพทธภาพพเศษซงไอนสไตนนาเสนอในป พ.ศ. 2448 ภายใตสมมตฐานคอ แสงมอตราเรวคงตวและสสารมอตราเรวสมพทธโดยมคาอตราเรวแสงเปนคาสงสด ความสมพนธระหวางมวลสารและพลงงานดงกลาว เขยนแทนดวยสมการ 2

0cmE = เมอ m0 เปนมวลนงของสสาร และ c เปนอตราเรวของแสง โดยมวลนง m0 ของสสารจะเปลยนรปไปเปนพลงงาน E และอาศยความสมพนธดงกลาวนพบวา ผลตางของมวลดงกลาวถกพจารณาวา เปนคาพลงงานทใชยดอนภาคโปรตอนและนวตรอนใหคงอยในนวเคลยสไดนนเอง โดยทความแตกตางระหวางมวลรวมของอนภาคโปรตอนและนวตรอนอสระกบมวลของนวเคลยสหนงๆ มคาไมเทากน จงมความเปนไปไดทจะใชประโยชนจากพลงงานอนเนองมาจากสวนตางระหวางความแตกตางของมวลรวมของนวเคลยส เมอนวเคลยสหนงๆ เปลยนไปเปนอกนวเคลยสหนง การใชประโยชนจากพลงงานนเองคอเปาหมายของวศวกรรมนวเคลยร

ตวอยางท 20.9 จงเปลยนสวนพรองมวล 1 หนวยมวลเชงอะตอม (u) ใหเปนพลงงาน

วธทา kg1066.1u1 27−×=Q

20cmE =Q

2827 )s/m103()kg1066.1(E ××=∴ −

J1049.1 10−×=

แตนยมใชพลงงานในหนวย อเลกตรอนโวลต eV )J10602.1eV1( 19−×=

ดงนน พลงงานทสมมลกบมวล 1 u eV/J10602.1

J1049.119

10

−

−

××

=

eV1093148.0 9×=

คาตอบ MeV48.931=

103

ตวอยางท 20.10 จงหาคาพลงงานยดเหนยวรวมและพลงงานยดเหนยวตอนวคลออน (Eb/A) สาหรบ O16

8

วธทา มวลของ 8 โปรตอน u05824.8u00728.18 =×=

มวลของ 8 นวตรอน u06936.8u00867.18 =×=

มวลของ 8 อเลกตรอน u004392.0u000549.08 =×=

มวลของออกซเจนทควรจะเปน u131992.16=

มวลของไอโซโทปกทวดได u994915.15=

สวนพรองมวล u137077.0=

สวนพรองมวลนจะเปลยนเปนพลงงาน

MeV6.127u/MeV931u137077.0Eb =×=

ดงนน ถาสามารถนาโปรตอน นวตรอน และอเลกตรอน อยางละ 8 อนภาคมารวมกนใหเกดเปน O16

8 จะตองจายพลงงานออกมา 127.6 MeV แตถาจะทาให O168 แตกออก เปน

อนภาคสวนประกอบจะตองใชพลงงานอยางนอย 127.6 MeV นวเคลยสของธาตแตละชนด มจานวนโปรตอนและนวตรอนตางกน จงนยมใชคาพลงงานยดเหนยวตอนวคลออน มากกวาทจะกลาวถงพลงงานยดเหนยวตอนวเคลยส หรอพลงงานยดเหนยวรวม ดงนน พลงงานยดเหนยวตอนวคลออนของตวอยางท 1.5 มคาเปน

MeV97.716

MeV6.127AEb ==

การหาคาพลงงานยดเหนยวโดยใชสตร

)m(c

Ec

.E.B22 ∆=∆

=

)]N,Z(M)NmZm[( np −+=

]u994915.15)}u00867.18()u00728.18[{(c

.E.B2 −×+×=∴

104

u994915.15u1276.16c

.E.B2 −=

u132685.0=

u/MeV48.931u132685.0.E.B ×=∴

คาตอบ พลงงานยดเหนยวมคา MeV59342.123=

105

แบบฝกหด 20.5 เสถยรภาพของนวเคลยส คาสง จงกาเครองหมาย X ทบตวเลอก ก ข ค ง ทเหนวาเปนคาตอบทถกตองทสด 1. กราฟรปใดแสดงความสมพนธระหวางพลงงานยดเหนยว ( E∆ ) ของนวเคลยสกบจานวน นวคลออน (n)

2. จงหามวลพรองของนวเคลยร XA

Z กาหนดให xHenp Mและm,m,m,m เปนมวลของ โปรตอน, มวลนวตรอน, มวลอเลกตรอน, มวลเชงอะตอมไฮโดรเจน, และมวลเชงอะตอม ธาต X ตามลาดบ ก. xnp Mm)ZA(Zm −−+ ข. xnp Mm)ZA(Zm −−+ ค. xnp Mm)ZA(Zm −−+ ง. xnp MAmZm −+ 3. ถา R แทนรศมของนวเคลยสทมเลขมวล A และ 0r แทนคา R ในกรณท A = 1 โดย 15

0 104.1r −×= เมตร จะปรากฏผลดงน

ก. 3/1AR = ข. 4/1

0ArR = ค. 3/1

0ArR = ง. 2/1

0ArR =

106

4. จงพจารณาแบบจาลองของนวเคลยส 1. มลกษณะทรงกลม 2. รศมนวเคลยสแปรผนตรงกบรากท 3 ของเลขมวล 3. ความหนาแนนของนวเคลยสแปรผนตรงกบเลขมวล 4. พลงงานยดเหนยวตอนวคลออนแปรผนตรงกบเลขมวลโดยประมาณ ขอใดถกตอง ก. 1, 2 และ 3

ข. 1, 3 ค. 2, 4

ง. เปนแบบอน 5. จงหาเลขเชงอะตอมของนวเคลยสหนงซงประกอบดวยจานวนโปรตอนเทากบจานวนนวตรอน และนวเคลยสนมรศมเปน 3/2 เทาของนวเคลยสของ Al27

13 ก. 2

ข. 4 ค. 8

ง. 9 6. ถามวลของนวคลออนมคา 271067.1 −× กโลกรม และให 15

0 103.1r −×= เมตร ดงนนความหนาแนนของนวเคลยสจะมคาประมาณ (หนวยกโลกรมตอลกบาศกเมตร)

ก. 20103 −× ข. 14103 −×

ค. 3103× ง. 13103×

7. ขนาดของนวเคลยสและจานวนนวคลออนเกยวของกนตามความสมพนธ 3/1)A(Rα นวเคลยสของอะลมเนยม –27 ซงมมวลเชงอะตอมเทากบ 27.0 u จะมรศมของนวเคลยส กเมตร ถา 15

0 104.1r −×= เมตร

ก. 15102.1 −×

ข. 15104.1 −×

ค. 15102.4 −×

ง. 15106.12 −×

107

8. จงพจารณาขอความตอไปน 1. คาพลงงานยดเหนยวรวมของนวเคลยสจะเพมขนเมอจานวนนวคลออนเพมขน 2. นวเคลยสทมพลงงานยดเหนยวตอนวคลออนสงมเสถยรภาพดกวา มพลงงาน ยดเหนยวรวมสง ขอใดถกตอง

ก. ขอ 1 ถก, 2 ถก และ 2 เปนเหตผลของ1 ข. ขอ 1 ถก, 2 ถก แต 2 ไมเปนเหตผลของ 1 ค. ขอ 1 ถก, 2 ผด ง. ขอ 1 ผด, 2 ถก

9. จงเลอกขอทถกตอง ก. เสถยรภาพของนวเคลยสขนอยกบคาพลงงานยดเหนยวตอนวคลออน ข. ถาคาพลงงานยดเหนยวตอนวคลออนมคาสง นวเคลยสยอมจะไมเสถยร ค. นวเคลยสของธาตทมเลขมวลแถว 220 ยอมจะเสถยรกวาของธาตทมเลขมวลแถว 50 ง. ทงขอ ก, ข และ ค

10. ถานวเคลยสของดวเทอรอนดดกลนรงสแกมมาแลวแตกตวเปนโปรตอนและนวตรอน ดง สมการ npH2

1 +→+γ โดยพลงงานตาสดของรงสแกมมาททาใหเกดสมการ ดงกลาวนเทากบ 0hf เราสามารถหาพลงงานยดเหนยวของดวเทอรอนไดอยางไร

ก. 0hfBE < ข. 0hfBE = ค. 0hfBE > ง. มอาจหาไดจากขอมลดงกลาว

11. จากการสลายของ Ra – 226 ตามสมการ HeRnRa 42

22286

22688 +→ ถาวดพลงงาน

ของอนภาค α ไดเทากบ 4.78 เมกะอเลกตรอนโวลต แลวพลงงานในการสลายจะม คาประมาณกเมกะอเลกตรอนโวลต

ก. 4.78 ข. 5.00 ค. 7.80 ง. ประมาณไมไดเพราะไมทราบมวล

108

12. จากการสลายของ Ac – 228 ตามสมการ MeV55.1eThAc 0

1228

9022889 +υ++→ − ขอใดตอไปนถกตอง ก. พลงงานจลนสงสดของอนภาค β เทากบ 1.55 เมกะอเลกตรอนโวลต ข. พลงงานจลนสงสดของอนภาค β เทากบ 0.78 เมกะอเลกตรอนโวลต ค. สมการไมอนรกษประจไฟฟา ง. สมการไมอนรกษพลงงาน

13. ถา u008665.1m,u007825.1m nH == เลขมวลเชงอะตอมของดวเทรอน

u014102.2= และมสมการสลายคอ nHH 10

11

21 +→ จงประมาณคาพลงงาน

ยดเหนยวของดวเทอรอนในหนวยเมกะอเลกตรอนโวลต ก. 0.22

ข. 2.22 ค. 22.2 ง. 222

14. ถาดวเทอรอน )H(21 มพลงงานยดเหนยวเทากบ 2.22 Mev จะมพลงงานยดเหนยวตอ

นวคลออนเทาใดในหนวยเมกะอเลกตรอนโวลตตอนวคลออน ก. 0.74

ข. 1.11 ค. 2.22

ง. 4.4 15. มวลเชงอะตอมของ u007825.1H,u93539.56Fe 1

12726 == และ u008665.1n1

0 = คาพลงงานยดเหนยวและพลงงานยดเหนยวตอนวคลออนมคาเทาใดในหนวยเมกะ อเลกตรอนโวลตและหนวยเมกะอเลกตรอนโวลตตอนวคลออน

ก. 49.9 , 8.99 ข. 8.99 , 49.9 ค. 499.9 , 8.77 ง. 8.77 , 499.9

16. พลงงานยดเหนยวตอนวคลออน(BE/A)ของธาตตางๆ มความสมพนธกบเลขมวลอยางไร ก. ถาเลขมวลตา ๆ คา BE/A จะมคานอย ข. ถาคา BE/A จะสงสด คาเลขมวลจะอยทประมาณ 50 ค. ถาเลขมวลสง ๆ คาของ BE/A จะลดลงอก แตจะลดลงอยางชา ๆ

ง. ทงขอ ก, ข และ ค

109

17. Li73 มมวล 7.01599 u และมมวลขององคประกอบรวม 7.05810 u ใหหา mass defect

เมอรวมกนเปนนวเคลยสของลเทยม ก. 0.7409 u

ข. 0.05810 u ค. 0.04211 u

ง. 0.01599 u 18. จากขอ 17 ใหหา B.E./nucleon ของ Li7

3 (ให 1 u 931= MeV) ก. 3.93 MeV/n

ข. 5.61 MeV/n ค. 39.3 MeV/n

ง. 133 MeV/n 19. ดวเทอรอนเกดจากนวตรอนรวมกบโปรตอน ถา pm และ nm เปนมวลอสระของโปรตอนและ นวตรอนตามลาดบ Dm เปนมวลของดวเทอรอน พบวา np mm + มากกวา Dm เปนเพราะ

ก. มวลพรอง ข. สงแวดลอมดดไว ค. พลงงานยดเหนยวระหวางนวตรอนกบโปรตอน ง. พลงงานยดเหนยวระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยส

20. ถามวลเชงอะตอมของฮเลยมเทากบ 4.00263 u และมวลของอเลกตรอน u000549.0me =

จงคานวณหามวลนวเคลยสของฮเลยม ก. 4.0001505 u

ข. 4.0002054 u ค. 4.002603 u

ง. 4.000407 u 21. จงหาพลงงานทใชในการแยกนวเคลยส Ne20

10 ออกเปนแอลฟา 2 อนภาคและนวเคลยส C12

6 กาหนดใหพลงงานยดเหนยวตอนวคลออนในนวเคลยสของ He,Ne 42

2010 และ C12

6 เปน 8.03, 7.07 และ 7.68 MeV ตามลาดบ ก. –6.72 MeV

ข. 94 MeV ค. 6.72 MeV

ง. 11.88 MeV

110

22. จากสมการ β+→ LiHe 63

62 และกาหนดมวลของไอโซโทปตาง ๆ ดงน

นโวลตะอเลกตรอในหนวยเมกนของอนภาคจงหาพลงงา00.0

u01702.6Li,u02047.6He,u00867.1n,u00278.1H 63

62

10

11

β≈β

====

ก. 1.8 ข. 2.7 ค. 3.2 ง. 4.3

23. QHeCeNd 42

14058

14460 ++→ คา Q มคาเทาใดในหนวยเมกะอเลกตรอนโวลต ถาให

มวลของ Nd -144 , Ce -140 และอนภาค α เทากบ 143.90998 u, 139.90528 u และ 4.002604 u

ก. 2.10 ข. 1.95 ค. 1.50 ง. 1.21

24. คาพลงงานยดเหนยวตอนวคลออนเฉลยของธาตทงหลายคอ ก. 8.00 เมกะอเลกตรอนโวลต ข. 8.75 เมกะอเลกตรอนโวลต ค. 7.85 เมกะอเลกตรอนโวลต ง. 7.00 เมกะอเลกตรอนโวลต

25. U23592 เปรยบเทยบกบ Cu63

29 ปรากฏวา U23592 สลายใหรงสงายกวาเพราะ

ก. Cu6329 มเสถยรภาพสงกวา

ข. U23592 ม

AE∆ นอยกวา 8.0 เมกะอเลกตรอนโวลต

ค. Cu6329 ม

AE∆ มากกวา 8.0 เมกะอเลกตรอนโวลต

ง. ถกหมด

111

26. ปรมาตรนวเคลยสของคารบอน (C-12) จะเปนกเทาของปรมาตรนวเคลยสฮเลยม (He-4) ก. 1 ข. 2 ค. 3 ง. 4 27. จงเลอกขอความทถกตองทสด

ก. มวลของนวเคลยสจะนอยกวาผลรวมของมวลโปรตอนและนวตรอนในสภาวะอสระทเปนองคประกอบของนวเคลยส

ข. เราเรยกมวลทตางกนตามขอ ก ( m∆ ) วามวลพรอง ค. เราเรยกพลงงาน )E(∆ ทแปรสภาพจากมวลพรองวาพลงงานยดเหนยวของ

นวเคลยส ง. ถกทง ก, ข และ ค

28. จงเลอกขอทถกตอง ก. เรานยมวดมวลของนวเคลยสมหนวยเปนย (u) ข. 1 ย (1 u) 271066.1 −×= กโลกรม

ค. จาก 2mCE = จะสามารถหาคาของ 1 u ในเทอมของ MeV ไดประมาณ 931 ง. ถกทง ก, ข และ ค

29. ถากาหนดใหมวล m มหนวยเปน u โดย 1 u 271066.1 −×= กโลกรม c แทนอตราเรว

ของแสงในสญญากาศโดยมคาประมาณ 8103× เมตรตอวนาท คาพลงงาน (E) มหนวย เปนเมกะอเลกตรอนโวลต (MeV) ทแปรสภาพจากมวล m นนจะมคาใกลเคยง กบคาใด

ก. mc2 ข. 931 m ค. 900 m ง. 41031.9 −× m

30. kg1U23592 เปลยนเปนพลงงานทงหมดไดก MeV (1 u 931= MeV)

ก. 271066.1 −× ข. 200

ค. 29106.5 × ง. 31101.9 ×

112

20.6 ปฏกรยานวเคลยร (Nuclear Reaction)

ปฏกรยานวเคลยร นยามวา เปนอนตรกรยาระหวางสนามของกระสน (หรออนภาคตกกระทบ) กบสนามของนวเคลยสเปา แลวทาใหนวเคลยสเปาเกดการเปลยนแปลงโดยการปลดปลอยอนภาคผลผลตหรอรงสออกมา สวนนวเคลยสเปาจะกลายเปนนวเคลยสผลผลต

ในป พ.ศ. 2479 โบร (Bohr) ไดเสนอทฤษฎนวเคลยสเชงประกอบ (compound nucleus theory) ซงมประโยชนมากในการสรางสหสมพนธและการตความปฏกรยานวเคลยร แนวคดพนฐานของทฤษฎนถกพจารณากอนทการศกษาปฏกรยานวเคลยรอยางละเอยดจะไดรบการยอมรบ โดยสมมตวาปฏกรยานวเคลยรเกดขน 2 ขนตอนคอ

1. เมอกระสนชนกบนวเคลยสเปาจะเกดอนตรกรยาแบบแรง โดยกระสนจะถายทอดพลงงานทงหมดใหกบนวเคลยสเปา แลวกลายเปนสวนหนงของนวเคลยสเปาเกดเปนนวเคลยสเชงประกอบซงอยในสถานะถกกระตน

2. นวเคลยสเชงประกอบจะเกดการสลายโดยปลดปลอยอนภาคผลผลต (เชน โปรตอน นวตรอน แอลฟา และอนภาคอนๆ) แลวนวเคลยสเชงประกอบกลายเปนนวเคลยสผลผลต กระบวนการดงกลาวเขยนแทนดวยสมการ

นวเคลยสเปา (X) + กระสน (x) → นวเคลยสเชงประกอบ (Cn) แลวนวเคลยสเชงประกอบ (Cn) → นวเคลยสผลผลต (Y) + อนภาคผลผลต (y)

เมอรวมทง 2 ขนตอนเขาดวยกน จะเขยนเปนสมการใหมได ดงน

yY]Cn[xX +→→+ (20.31)

ขอสมมตของโบรสอดคลองกบความจรงจานวนมาก กลาวคอ นวเคลยสเชงประกอบจะสลายตอไปไดหลายแบบและสลายใหผลผลตทแตกตางกนหลายชนดเชน เมอใชกระสนโปรตอนระดมยงไปยงนวเคลยสเปาคอ Al27

13 จะเกดผลผลตเนองจากปฏกรยาเปนนวเคลยสผลผลตและอนภาคผลผลต ดงน

→→+ ]Si[HAl 2814

11

2713 HeMg 4

22412 + (20.32)

หรอ nSi 10

2714 +→

หรอ nH3Na 10

11

2411 ++→

หรอ γ+→ Si2814

113

เมอระดมยงนวเคลยสเปาดวยกระสนคออนภาคความเรวสงเชน นวตรอน โปรตอน อเลกตรอน ดวเทอรอน อนภาคแอลฟา ถากระสนเขาใกลนวเคลยสเปาเพยงพอจะเกดอนตรกรยาระหวางสนามของกระสนกบสนามของนวเคลยสเปา โดยผลของอนตรกรยาหรอปฏกรยาทเกดขนนนขนกบ ชนด พลงงาน ธรรมชาตของกระสน และชนดของนวเคลยสเปา โดยกระสนอาจจะเปลยนทศทาง หรอสญเสยพลงงานบางสวนไป หรอถกนวเคลยสเปาจบยดเอาไว จากการทดลองพบวา ถากระสนมพลงงานสงเพยงพอมนจะเขาใกลนวเคลยสเปาและถกนวเคลยสเปาจบยดเอาไว ภายหลงจากการจบยดกระสนเขาไปหลงจากทนวเคลยสเปาปลอยอนภาคผลผลตหรอรงสออกมาแลว นวเคลยสเปาอาจจะอยในสภาพเสถยรหรอไมเสถยรกได ในกรณทไมเสถยรหรอเปนธาตกมมนตรงส นวเคลยสเปาจะสลายดวยครงชวตทแนนอนและเปนไปตามกฎเกณฑเดยวกบกฎการสลายของธาตกมมนตรงสในธรรมชาต ภายหลงการใชกระสนระดมยงนวเคลยสเปาแลวนวเคลยสเปาจะเปลยนแปลงไปจากเดม เรยกการเปลยนแปลงในนวเคลยสเปาวา การแปรธาต (transmutation) และเรยกปฏกรยานวา ปฏกรยาการแปรธาต (transmutation reaction) ผลของการศกษาปฏกรยานวเคลยรจะใหความรเกยวกบสมบตของนวเคลยส เชน แรงนวเคลยร โครงสรางของนวเคลยส เชน เมอใชกระสนแอลฟาระดมยงไปยงนวเคลยสเปาคอ ไนโตรเจน เขยนแทนดวยสมการ

HO]F[HeN 11

178

189

42

147 +→→+ (20.33)

สมการนประกอบดวย 1. สญลกษณทางซายมอเรยกวา นวไคลดทาปฏกรยา (reacting nuclide) 2. สญลกษณทอยในวงเลบคอ นวเคลยสไมเสถยรเรยกวา นวเคลยสเชงประกอบ

ทกอรปขนชวขณะหนงภายหลงจากทแกสไนโตรเจนจบอนภาคแอลฟา สญลกษณทางขวามอ ซงประกอบดวยอนภาคผลผลตคอ โปรตอน )H(11 ทนวเคลยสเชงประกอบปลดปลอยออกมา กบนวเคลยสผลผลตคอออกซเจน )O(17

8 โดยนวเคลยสทงสองนรวมกนเรยกวา ผลผลตปฏกรยา (reaction product)

4. การแปรธาตดงกลาว อาจจะเขยนแทนดวยสญกรณแบบยอ (abbreviate notation) ไดเปน O)p,(N 17

8147 α

โดยปฏกรยานวเคลยรจะตองเปนไปตามหลกการ ดงน (1) หลกการอนรกษประจไฟฟา (principle of conservation of electric charge)

คอผลรวมของประจ (หรอเลขเชงอะตอม Z) กอนและหลงการทาปฏกรยาจะตองเทากน (2) หลกการอนรกษเลขนวคลออน (principle of conservation of nucleon

Number) คอผลรวมของมวลเชงอะตอม A กอนและหลงปฏกรยาจะตองเทากน (3) หลกการอนรกษมวลหรอพลงงาน (principle of conservation of mass or

114

energy) คอ ผลรวมของพลงงานหรอมวลกอนหรอหลงการทาปฏกรยาจะตองเทากน (มวลและพลงงานมความสมพนธกนตามทฤษฎสมพทธภาพซงเขยนแทนดวยสมการ 2mcE = )

(4) หลกการอนรกษโมเมนตมเชงเสน (principle of conservation of linear momentum) โมเมนตมเชงเสนกอนและหลงปฏกรยาจะตองเทากนโดยมเงอนไขในการใชหลกการอนรกษดงกลาว คอ

(ก) ปฏกรยาทศกษาเปนประเภทพลงงานตา (low energy) โดยอนภาคทเขาทาปฏกรยาตองมพลงงานจลนไมเกน 20 MeV

(ข) กระสนทใชยงเปนอนภาคทมขนาดเลกเชน นวตรอน, ดวเทอรอน, แอลฟา, โปรตอน, รงสแกมมา เปนตน

(ค) ภายหลงการเกดปฏกรยาจะมอนภาคในขอ (2) ชนดใดชนดหนงหลดออกมาดวยเสมอ

นอกจากนวเคลยสเปาคอ N147 แลว ยงมธาตอนทสามารถเปลยนเปนธาตกมมนตรงสได

โดยการระดมยงดวยกระสนแอลฟา โดยเขยนเปนสมการคลายกบสมการทกลาวมาแลว ดงน

HC]N[HeBo 11

136

147

42

015 +→→+

HMg]Al[HeNa 11

2612

2713

42

2311 +→→+

HSi]P[HeAl 11

3014

3115

42

2731 +→→+

HCl]A[HeS 11

3571

3618

42

3261 +→→+

HCa]Se[HeK 11

4220

4321

42

3991 +→→+

สมการชดดงกลาวเปนปฏกรยานวเคลยรทประจของนวเคลยสผลผลตเพมขน 1 หนวย )1Z( + และมวลเพมขน 3 หนวย )3A( + ซงเขยนเปนสมการทวไปได ดงน

HY]Cn[HeX 11

3A1Z

4A2Z

42

AZ +→→+ +

+++ (20.34)

เมอ X เปน นวเคลยสเปา x หรอ He4

2 เปนกระสนหรออนภาคทใชระดมยง Cn เปน นวเคลยสเชงประกอบ Y เปน นวเคลยสผลผลต y หรอ H1

1 เปนอนภาคผลผลต

115

เพอความสะดวกในการเขยนปฏกรยานวเคลยร จงนยมเขยนในเทอมของกระสน และอนภาคผลผลตจากปฏกรยานวเคลยร ดงนน ปฏกรยานวเคลยรแบบยอดงกลาว จงเขยนแทนดวยปฏกรยา )p,(α เรยกวา ปฏกรยาโปรตอนแอลฟา (alpha proton reaction) โดยเขยนในรปแบบยอทวไปไดเปน Y)p,(X 3A

1ZAZ

++α หรอ Y)y,x(X ดงนน จงเขยนสมการ (20.34)

ใหอยในรปแบบของสญกรณแบบยอไดเปน O)p,(N 178

147 α

ในป พ.ศ. 2462 รทเทอรฟอรดคนพบปฏกรยานวเคลยรเปนคนแรก โดยใชกระสนแอลฟา )He(4

2 ซงไดจากโปโลเนยม )Po(21484 ยงไปยงนวเคลยสเปาคอ ไนโตรเจน )N(14

7 ไดนวเคลยสผลผลตเปน ออกซเจน )O(17

8 และอนภาคผลผลตคอ โปรตอน )H(11 และพลงงานนวเคลยรจากผลของปฏกรยา )Q( เขยนแทนดวยสมการ

QHOHeN 11

178

42

147 ++→+

20.6.1 การหาพลงงาน Q ทมในปฏกรยานวเคลยร

คาพลงงาน Q ของปฏกรยามคาไดทงบวกและลบขนอยกบธรรมชาตของปฏกรยา โดยคาพลงงาน Q จะตองสมดลกบการเปลยนแปลงมวลสารใหเปนพลงงานนวเคลยร คา พลงงาน Q จะมคาเปนบวกเมอมวลของอนภาคทมอนตรกรยาตอกนมากกวามวลของนวคลออน ผลผลตหลงปฏกรยา เรยกปฏกรยาแบบนวา ปฏกรยาคายความรอน (exothermic or exoergic reaction) แตถามวลของอนภาคกอนปฏกรยานอยกวามวลหลงปฏกรยาแลวเรยกปฏกรยาเชนนวา ปฏกรยาการดดกลน (endothermic or endoergic reaction) ซงใหคาพลงงาน Q เปนลบ

หลกการหาคาพลงงาน Q 1. หามวลกอนเกดปฏกรยาให 1m= 2. หามวลหลงเกดปฏกรยาให 2m= 3. หามวลทหายไป 21 mmm −=∆

4. หา Q ไดจาก m5.931mcQ 2 ∆=∆= ซงพลงงานทไดมหนวยเปน MeV

ตวอยางท 20.11 จงหาพลงงาน Q จากปฏกรยานวเคลยร O)p,(N 178

147 α

กาหนดใหมวลของ ,u00753.14N147 = u00387.4He4

2 =

,u00450.17O178 = u00814.1H1

1 =

116

วธทา สมการนวเคลยรนคอ QHOHeN 11

178

42

147 ++→+

Qu00814.1u00450.17u00387.4u00753.14 ++=+

Qu01264.18u01140.18 +=

m5.931mcQ 2 ∆=∆=Q

)u01264.18u01140.18()u/MeV5.931(mcQ 2 −=∆=∴

MeV15506.1)u00124.0()u/MeV5.931(

−=−=

คาตอบ คา Q เปนลบ แสดงวาเปนปฏกรยาการดดกลนพลงงาน เขยนสมการ นวเคลยรไดใหมเปน NHeMeV15.1HO 14

742

11

178 +→++

ตวอยางท 20.12 จงหาคา Q ของปฏกรยา 7Li (p,α)4He

วธทา สมการนวเคลยรคอ 11 H + →Li7

3 He42 + He4

2 + Q

จะได 11 H + =Li7

3 He42 + He4

2 + Q

หรอ Q00387.400387.401822.700814.1 ++=+

∴ MeV3.17MeV931u01862.0u01862.0Q +=×==

คาตอบ MeV3.17Q +=

ตวอยางท 20.13 จงใชมวลเชงอะตอมทกาหนดดานลาง คานวณหาคา Q สาหรบ ปฏกรยาตอไปน O),p(F 16

8199 α เมอ ,u9984.18F19

9 = ,u00819.1H11 =

u00389.4He42 = และ u00.16O16

8 =

วธทา เขยนกระจายปฏกรยาอยางยอไดเปน

QHeOHF 42

168

11

199 ++=+

Qu00389.4u00.16u00819.1u9984.18 ++=+∴

117

u0027.000389.2000659.20Q =−=

MeV5.2u/MeV931u0027.0 =×=

คาตอบ MeV5.2Q =

ตวอยางท 20.14 สมการนวเคลยรสมการหนงเขยนเปน MeV55.0HCnN 1

1146

10

147 ++=+ จงหามวลของ C14

6 (ในหนวย u กาหนดให

,u007520.14N147 = ,u008145.1H1

1 = และ )u008986.1n10 =

วธทา เปลยนพลงงาน 0.55 MeV ใหเปนมวล โดยใชสมการ

m931cmE 2 ∆=∆=∆Q

u000591.0u/MeV931

MeV55.0931

Em ==∆

=∆∴

คาตอบ มวลของ u0077.14)u000591.0H()nN(C 11

10

147

146 =+−+=

20.6.2 การแปรธาต (Transmutation)

เมอใชกระสนชนดตางๆ ระดมยงไปยงนวเคลยสเปา แลวนวเคลยสเปาจะ เปลยนแปลงไปจากเดม เรยกการเปลยนแปลงภายในของนวเคลยสเปาวา การแปรธาต และเรยกปฏกรยานวาปฏกรยาการแปรธาต ผลการศกษาปฏกรยานวเคลยรทเกดขนจะใหความรเกยวกบสมบตตางๆ ของนวเคลยส โดยการแปรธาตเรยกตามชอกระสนทใชระดมยง ดงน

20.6.2.1 การแปรธาตดวยโปรตอน (Transmutation by Proton)

คอคครอฟและวอลตน ใชโปรตอนพลงงาน 0.1–0.7 MeV ยงไปยงนวเคลยสเปา แตพลงงานของกระสนมอยหลายคา ทาใหปฏกรยานวเคลยรทเกดขนมปญหา โดยมปฏกรยาประวตศาสตรทนาสนใจคอ ใชกระสนโปรตอนยงไปยงนวเคลยสเปา Li เมอวางฉาก ZnS ใกลๆ กบนวเคลยสเปาสามารถตรวจวดการเปลงแสงวบทเกดจากอนภาคซงหลดออกจาก Li แลวถายภาพรอยทางของอนภาคแอลฟาทหลดออกมาจาก Li ในหองหมอกพบวา เปนอนภาคแอลฟา 2 อนภาคทมพลงงานเทากน แตเคลอนทในทศทางตรงกนขาม เขยนแทนดวยปฏกรยานวเคลยร ดงน

118

QHeHeHLi 42

42

11

73 ++→+

สมมตใหมวลของสมาชกในปฏกรยามคา ดงน

,u018222.7)Li(M 73 = ,u008144.1)H(m 1

1 = และ u003873.4)He(M 42 =

ปฏกรยานถกนามาใชพสจนทฤษฎสมพทธภาพของไอนสไตน คดคา Q ได MeV33.17u/MeV931u01860.0 =×

โดยคา Q ทไดจากการทดลองทดทสด วดจากพลงงานของโปรตอนและแอลฟาทไดออกมามคา 17.33 MeV การสลายทอธบายมานน เขยนแทนดวยสมการทวไปไดเปน

HeYHx 42

3A1Z

11

AZ +→+ −

− (20.35)

นนคอ เมอใชกระสนโปรตอน H11 ยงไปยงนวเคลยสเปา Bo11

5 เกดผลผลตคอ He42

3 ตว โดย 2 ตวหลงเปนฮเลยมทสลายตอไป

HeBeHBo 42

84

11

115 +→+

HeHeBe 42

42

84 +→

ตวอยางปฏกรยา (p,α )

HeHe]Be[HLi 42

42

84

11

73 +→→+

HeLi]B[HBe 42

63

105

11

94 +→→+

สาหรบปฏกรยา (p,n) เขยนแทนดวยสมการทวไปไดเปน

nY]Cn[Hx 10

A1Z

1A1Z

11

AZ +→→+ +

++ (20.36)

ตวอยางปฏกรยา (p,n)

nC]C[HB 10

116

126

11

115 +→→+

nF]F[HO 10

189

199

11

188 +→→+

119

การเปลยนแปลงของมวลในปฏกรยา (p,γ ) นน โดยทวไปจะมคาเปนลบ จงเปนปฏกรยาดดกลนพลงงานเขยนแทนดวยสมการทวไปไดเปน

γ+→→+ ++

++ Y]Cn[Hx 1A

1Z1A1Z

11

AZ (20.37)

ตวอยางปฏกรยา (p,γ)

γ+→→+ Ne]Ne[HF 2010

2010

11

199

γ+→→+ Si]Si[HAl 2814

2814

11

2713

ตวอยางปฏกรยา (p,d)

21

84

105

11

94 Be]B[HBe +→→+

HLi]Be[HLi 21

63

84

11

73 +→→+

20.6.2.2 การแปรธาตดวยดวเทอรอน (Transmutation by Deuteron)

ปฏกรยานวเคลยรจานวนมากมายทไดจากการใชดวเทอรอนพลงงานสงหลายๆ MeV ทไดจากไซโคลทรอนหรอ เครองกาเนดไฟฟาสถตเปนกระสนยงนวเคลยสเปา เชน ปฏกรยาทใชดวเทอรอนยง Li6

3 ซง ลวอส (Lewis), ลวงสตน (Livingston) & ลอวเรนซ (Lawrence) ผลตไดในป พ.ศ. 2476 ซงเปนปฏกรยาเรมแรก คอ

HeHe]Be[HLi 42

42

84

21

63 +→→+

โดยดวเทอรอนทถกดงเอาอเลกตรอนหลดไป 1 ตว เกดเปน H21 ทอยในสภาพไอออน

ซงไดจากดวเทอเรยมทแตกตวเปนไอออนแลวนาดวเทอรอนทไดใสเขาไป ในเครองเรงซงสวนใหญใชไซโคลทรอนเรงใหมพลงงานมากกวาหรอเทากบ 5 MeV และมความหนาแนนฟลกซสง เขยนแทนดวยสมการทวไปไดเปน

HeY]Cn[Hx 42

4A2Z

2A1Z

21

AZ +→→+ −

−++ (20.38)

ตวอยางของปฏกรยา (d,α) คอ

HeN]F[HO 42

147

189

21

168 +→→+

120

HeMg]Si[HAl 42

2512

2914

21

2713 +→→+

เมอยงกระสนดวเทอรอนไปยงนวเคลยสเปา แลวไดผลผลตเปนอนภาคโปรตอน ในปฏกรยา (d,p) นนพบอยเสมอในการทดลอง ซงมวลของธาตกมมนตรงสทเกดใหมจะเพมขนหนงหนวย แตประจเทาเดม โดยปฏกรยาเหลานสวนใหญใหคา Q เปนบวก เขยนสมการทวไปเปน

HY]Cn[Hx 11

1AZ

2A1Z

21

AZ +→→+ ++

+ (20.39)

ตวอยางปฏกรยา (d,p)

HC]N[HC 11

136

147

21

126 +→→+

HNa]Mg[HNa 11

2411

2512

21

2311 +→→+

ปฏกรยา (d,n) คอ ปฏกรยานวเคลยรทใชดวเทอรอนเปนกระสนยงไปยงนวเคลยสเปา แลวใหอนภาคนวตรอนออกมา เขยนแทนดวยสมการทวไป คอ

ny]Cn[Hx 10

1A1Z

2A1Z

21

AZ +→→+ +

+++ (20.40)

ตวอยางปฏกรยา (d,n)

10

105

115

21

94 B]B[HBe +→→+

nH]He[HH 10

32

42

21

21 +→→+

สาหรบแหลงกาเนดนวตรอน (neutron source) ขนาดยอมในประเทศไทยมทภาคฟสกส มหาวทยาลยเชยงใหม เปนปฏกรยาแบบ (d,α) เขยนแทนดวยสมการ ดงน

nHe]Li[HHe 10

42

53

21

32 +→→+

ได n10 ทมพลงงานประมาณ 14.3 MeV

20.6.2.3 การแปรธาตดวยนวตรอน (Transmutation by Neutron)

อนภาคนวตรอน n10 มผลตอการเปลยนแปลงของนวเคลยสมากทสด

เพราะไมมผลจากแรงผลกคลอมบเมอมนเคลอนทเขาใกลนวเคลยส ซงประจบวกอยรวมกนเปนจานวนมาก ในขณะเดยวกนนวตรอนมอานาจทะลทะลวงสงกวา H,H 2

111 และ He4

2 นอกจาก

121

นวตรอนพลงงานสงททาใหเกดปฏกรยานวเคลยรได แตพวกนวตรอนชา (slow neutron) และ เทอรมลนวตรอน (thermal neutron) กมผลไดดเชนกน

กอนการคนพบปฏกรยาลกโซ และเครองปฏกรณปรมาณ แหลงกาเนดนวตรอน n10

แหลงใหญไดจากปฏกรยาตอไปน

C)n,(BeและB)n,d(Be,He)n,d(H 126

94

105

94

32

21 α

ตอมาพบวธทาใหนวตรอนเรว (fast neutron) ลดความเรวลงกลายเปนนวตรอนชา โดยใหนวตรอนเรววงชนสารทมสวนประกอบซงเตมไปดวยไฮโดรเจน เชน นา พาราฟน การทนวตรอนเรวชนไฮโดรเจนหลายๆ ครง ทาใหพลงงานลดลงอยางมากมายหลาย MeV ดวยวธดงกลาวทาใหเราสามารถลดพลงงานในระดบ MeV ลงเหลอในชวง eV ได ปฏกรยาระหวางนวตรอนกบนวเคลยสสวนใหญจะใหอนภาคแอลฟา คอปฏกรยา (n,α) เขยนแทนดวยสมการทวไป ดงน

Hey]Cn[nx 42

3A2Z

1AZ

10

AZ +→→+ −

−+ (20.41)

ตวอยางปฏกรยา (n,α)

HeH]Li[nLi 42

31

73

10

63 +→→+

HeLi]B[nB 42

73

115

10

105 +→→+

HeNa]Al[nAl 42

2411

2813

10

2713 +→→+

โดยทสองปฏกรยาแรกใหผลผลตคอนขางสง จงถกนาไปใชตรวจวดอนภาค นวตรอน เชน หววดรงสแบบหองการแตกตวเปนไอออน (ionization chamber detector) จะบภายในหววดดวย B10

5 ซงอยในรปสารประกอบ ดงนนเมอ B105 จบ n1

0 จะเกดอนภาคแอลฟาซงทาใหแกสหรออากาศทบรรจในหววดแตกตวเปนไอออนซงสามารถตรวจวดได

ในบางกรณนวเคลยสเชงประกอบอาจจะใหอนภาคโปรตอนซงเปนปฏกรยา (n,p) ซงอนภาคนวตรอน n1

0 เขาไปแทนทโปรตอนในนวเคลยสเปา ไดธาตกมมนตรงสทเกดใหมมประจลดลงหนงหนวย แตเลขมวลเทาเดม เขยนแทนดวยสมการทวไปเปน

Hy]Cn[nx 11

A1Z

1AZ

10

AZ +→→+ −

+ (20.42)

122

ตวอยางปฏกรยา (n,p)

HC]N[nN 11

146

157

10

147 +→→+

HMg]Al[nAl 11

2712

2813

10

2713 +→→+

สมการแรกเปนนวตรอนชา สวนสมการหลงเปนนวตรอนเรว ถาเปลยนนวเคลยสเปาใหเปนนวเคลยสทหนกขน ตองใชนวตรอนเรวจงจะเกดปฏกรยาแบบ (n, p) เชน

HCu]Zn[nZn 11

6429

6530

10

6430 +→→+

ปฏกรยา (n,2n) เปนปฏกรยาทเกดจากนวเคลยสซงเปนเปาจะจบกระสนนวตรอนแลวนวเคลยสเชงประกอบทเกดขนจะปลดปลอยนวตรอนออกมา 2 ตว ซงนวเคลยสผลผลตจะมประจเทาเดมแตมวลลดลงหนงหนวย เชน

QnnAl]Al[nAl 10

10

2613

2813

10

2713 −++→→+

ปฏกรยา (n,γ) เปนปฏกรยาทเกดไดกบธาตตางๆ เกอบทกธาต โดยคา Q ทไดมกจะมคาเปนบวก และพลงงานสวนเกนนนรงสแกมมาเปนตวรบไป ตวอยางปฏกรยา (n,γ)

γ+→→+ H]H[nH 21

21

10

11

γ+→→+ H]H[nH 31

31

10

21

γ+→→+ Al]Al[nAl 2813

2813

10

2713

γ+→→+ In]In[nIn 11649

11649

10

11549

γ+→→+ U]U[nU 23992

23992

10

23892

20.6.2.4 การแปรธาตดวยโฟตอน (Transmutation by Photon)

ถาใชโฟตอนพลงงานสงฉายไปทผวของนวเคลยสเปา อาจจะทาใหนวเคลยสสลายได เนองจากโฟตอนไมมมวลจงถายทอดพลงงานจลนใหกบนวเคลยสเปาไดเพยงอยางเดยว ซงพลงงานจลนจานวนนตองมขนาดอยางนอยเทากบพลงงานยดเหนยวของนวคลออนในนวเคลยส กอนจะทาใหอนภาคชนดนนๆ หลดออกมาจากนวเคลยสเปาได

123

ดวยเหตนปฏกรยาการแตกสลายดวยโฟตอน (photon disintegration) จงมกเปนปฏกรยาดดกลนพลงงานและมพลงงานขดเรมเปลยนประมาณ 10 MeV มขอสงเกตคอ ถาใชรงสแกมมาทไดจากธาตกมมนตรงสในธรรมชาตจะไมเกดการสลายดวยโฟตอน ยกเวน 2 กรณคอ

Be)n,(BeและH)n,(H 84

94

11

21 γγ

ปฏกรยา (γ,n) ทตองใชพลงงานสงๆ เชน P)n,(P 3015

3115 γ

20.6.3 การแบงแยกนวเคลยส (Nuclear Fission)

หลงจากทแชดวกคนพบนวตรอนไดมการศกษาปฏกรยานวเคลยรทเกดจากการใชกระสนนวตรอนยงไปยงนวเคลยสเปาชนดตางๆ อยางมากมายเพอสรางธาตใหม เชน ในป พ.ศ. 2477 แฟรม (Fermi) ไดพยายามผลตธาตทหนกกวายเรเนยมโดยใชกระสนนวตรอน

)n( 10 ยงไปยงนวเคลยสเปาคอยเรเนยม )U(235

92 เพอสรางธาตทมเลขเชงอะตอมมากกวา 92 โดยหวงวา ยเรเนยมจะจบยดนวตรอนกลายเปนนวเคลยสเชงประกอบแลวสลายใหรงสบตาออกมา โดยนวเคลยสเชงประกอบเปลยนสภาพเปนนวเคลยสใหมทมเลขมวลและเลขเชงอะตอมสงกวายเรเนยม แตแฟรมกลบพบวา ปฏกรยานวเคลยรใหผลผลตทมเลขเชงอะตอมลดลง แสดงวา นวเคลยสเปาคอยเรเนยมเกดการแบงแยกนวเคลยส ซงไดผลผลตของปฏกรยาเปนธาตทมเลขเชงอะตอมลดลง แตในชวงเวลานนแฟรมทวนสอบไมไดวาเปนธาตชนดใดบาง เนองจากธาตทเกดขนใหมนนมปรมาณนอยมาก และกระบวนการแยกธาตใหมออกมานนยงไมดพอ

ในป พ.ศ.2481 ฮนน (Hahn)และสแตรสมนน (Strassmann) ทาการทดลอง ศกษาคนควาอยางทแฟรมเคยทามากอนคอ การใชนวตรอนชาเปนกระสนระดมยงไปยงนวเคลยสเปาคอ U235

92 แลวใชวธวเคราะหทางเคมแยกธาตกมมนตรงสตางๆ ออกจากยเรเนยมพบธาตทเกดใหมคอ Ba139

56 และ La14057 และยงพบอกวา U235

92 คอไอโซโทปของยเรเนยมทดดกลนนวตรอนชาแลวเกดการแบงแยกนวเคลยส นนคอ ฮนนและสแตรสมนน คนพบการแบงแยกนวเคลยส

ในป พ.ศ.2482 โบรและวลเลอร (Bohr and Wheeler) นาเสนอแบบจาลองหยดของเหลว (liquid drop model) เพอใชอธบายการแบงแยกนวเคลยสเปนครงแรก โดยใหแนวคดไววา แรงกระทาระหวางโมเลกลในหยดของเหลวจะสมดลกบแรงตงผวทรงกลมของหยดของเหลว กอรปเปนหยดตามแรงตงผว ทาใหหยดของเหลวมขนาดใหญมากไมได ขนาดสงสดของหยดของเหลวซงมไดจรงๆ นนจะยงคงมรปรางทเสถยร โดยหยดของเหลวจะมเสถยรภาพนอยและเรมแตกเมอเขาใกลขนาดสงสด ทสภาวะนหยดของเหลวจะเกดการแกวงกวด (oscillation) ทาให

124

แรงตงผวลดลง หยดของเหลวจงยดยาวออกจนกระทงขาดออกจากกนเปนสองหยดหรอ หยดเลกกวาหลายๆ หยด ดงรปท 20.54

รปท 20.54 แสดงการยดยาวออกของหยดของเหลวจนกระทงขาดออกจากกนกลายเปนสองหยด หรอมากกวา

สาหรบในนวเคลยสนน แรงนวเคลยรพสยสนทาตวเสมอนเปนแรงตงผว แรงผลกระหวางโปรตอนมแนวโนมทจะทาลายเสถยรภาพของนวเคลยส ทาใหนวเคลยสแตกออกจากกน ถาแรงตงผวมคาสงนวเคลยสจะไมแตกตว แตถาแรงตงผวมคาตา นวเคลยสนนจะแตกตวเปนนวเคลยสใหม 2 นวเคลยสหรอมากกวาน โดยนวเคลยสทเกดใหมจะมความเรวสง กระบวนการเชนนเรยกวา การแบงแยกนวเคลยส เชน เมอยงกระสนนวตรอน n1

0 ไปชนนวเคลยสเปาคอ U235

92 ซงเปนนวเคลยสขนาดใหญคลายกบหยดของเหลวขนาดใหญซงแบงตวออกเปนหยดเลกไดงายเมอถกรบกวน ฮนนและสแตรสมนน พบการแบงแยกนวเคลยส โดยใชกระสนนวตรอนพลงงาน 5–6 MeV พงเขาชนนวเคลยสเปาคอ U235

92 นวเคลยสของยเรเนยมจะแตกออกใหนวตรอนความเรวสงออกมา 2–3 อนภาคและมนวเคลยสผลผลตซงเปนธาตกมมนตรงสทไมเสถยรเกดขน 2 นวเคลยส คอ Ba141

56 และ Kr9236 ดงสมการ

Qn3KrBanU 10

9236

14156

10

23592 +++→+

กอนพมพผลการทดลอง ฮนนและสตราซมนน ไดสงขาวการคนพบไปใหไมทเนอร (Meitner) ไมทเนอรกบฟรซค (Frisch) ไดรวมกนวเคราะหผลการทดลองของฮนนและสตราซมนน จนในทสดทงคแนใจวายเรเนยมถกแบงแยกตวออกเปนสองสวนจรงๆ จงลงมอพสจนและอธบายปฏกรยานวเคลยรชนดใหมซงแตกตางไปจากทเคยพบกนมา ไมทเนอรสรปวา นวเคลยสของยเรเนยมมรปรางเปนหยดของเหลวเลกๆ เมอถกกระแทกดวยนวตรอนหยดของเหลวจะสนไปมา ถาแรงกระแทกมากพอจะทาใหนวเคลยสยดออกเปน รปดรมเบล และแรงผลกระหวางโปรตอนจะทาใหปลายดรมเบลทงสองขางหางจากกนออกไปทกทๆ จนแรงยดเหนยวทงสองสวนไมสามารถดงเอาไวได สวนของดรมเบลทงสองจงขาดออกจากกนกระบวนการทงหมดนเกดขนในชวงเวลา เศษหนงสวนลานลานวนาท )s10( 12− ฟรซคเรยกกระบวนการเชนนวา การแบงแยก

125

นวเคลยสของยเรเนยม และเขาพสจนโดยทาการทดลองทเดนมารกไดวา การทยเรเนยม เกดการแบงแยกนวเคลยสนนนวเคลยสถกแยกออกเปนสองสวนจรงๆ นนคอ ทงทฤษฎและ การทดลองยนยนวาเกดการแบงแยกนวเคลยสอยางแนนแฟน

ปฏกรยานวเคลยรทเกดจากนวตรอนมอนตรกรยากบ 235U แลวเกดการแบงแยกตวม 2–3 แบบ คอ

Qn3KrBanU 10

9236

14156

10

23592 +++→+

Qn5MoSnnU 10

10442

12750

10

23592 +++→+

Qn2SrXenU 10

9438

14054

10

23592 +++→+

พจารณาสมการทสามซงใชเทอรมลนวตรอน (thermal neutron) n10 พลงงาน 14

MeV เปนกระสนยงไปยงนวเคลยสเปาคอ U23592 จะไดนวเคลยสเชงประกอบคอ ]U[236

92 แลว ]U[236

92 จะสลายใหผลผลตการแบงแยกนวเคลยสไดแก Xe14054 nและSr 1

09438 2 นวตรอน

รวมทงปลดปลอยพลงงาน Q ออกมาประมาณ 200 MeV เรยกพลงงานนวาพลงงานนวเคลยร (nuclear erengy) นนคอ

MeV200พลงงานn2SrXe]U[nU 10

9438

14054

23692

10

23592 ≈+++→→+ (20.43)

ผลผลตการแบงแยกนวเคลยสของนวเคลยสเชงประกอบ ]U[23692 อาจจะเปน

นวเคลยสผลผลตตางๆ อกมากมาย ผลผลตการแบงแยกนวเคลยสมไดมากกวา 200 ชนด โดยจะเปนนวเคลยสทมเลขมวลอยระหวาง 72–161 และมเลขเชงอะตอมอยระหวาง 30–65 ในเกอบทกกรณขณะทพลงงานของกระสนนวตรอน หรออนภาคมประจททาใหเกด การแบงแยกนวเคลยสมคาเพมขน การแบงแยกนวเคลยสเรมสมมาตรมากขนกลาวคอ ผลผลตการแบงแยกนวเคลยสแบงออกเปน 2 สวนเทาๆ กนมากขน สาหรบพลงงานทปลดปลอยออกมาในกระบวนการการแบงแยกนวเคลยสจะอยในรปของพลงงานจลนของชนสวนการแบงแยกนวเคลยสเชน พลงงานจลนของนวตรอนจากการแบงแยกนวเคลยส รงสแกมมาทออกมาจากการแบงแยกนวเคลยส พลงงานของรงสบตาและรงสแกมมาของการสลายและพลงงานทนาออกไปโดยนวทรโน การแจกแจงของพลงงานทกระจายไปตามชนสวนการแบงแยกนวเคลยส และพลงงานทปลอยออกมาจากการแบงแยกนวเคลยสของ U235

92 เมอใชเทอรมลนวตรอนเปนกระสน ประกอบดวย

126

พลงงานจลนของชนสวนการแบงแยกนวเคลยสเปน 2 ชนสวน 168 MeV พลงงานจลนของนวตรอนจากการแบงแยกนวเคลยส (2.5 นวตรอนตอการแบงแยก นวเคลยส 1 ครงโดยนวตรอนแตละตวมพลงงานประมาณ 2 MeV) 5 MeV รงสแกมมาฉบพลน (immediate gamma rays) 7 MeV รงสแกมมาดเลย (delayed gamma rays) 3–12 MeV อนภาคบตา 8 MeV รงสแกมมา 7 MeV นวทรโน 12 MeV

พลงงานเฉลยทงหมดตอการแบงแยกนวเคลยส 1 ครง = 215 MeV เมอเปรยบเทยบกบการหาพลงงาน Q ทหาคาไดจากสวนพรองมวลหรอพลงงานยดเหนยวในปฏกรยานวเคลยรทฮนนและสแตรสมนนพบ คอ

Qn3KrBanU 10

9236

14156

10

23592 +++→+

โดยหาคาพลงงาน Q ไดดงน

Qu8973.91u9139.140u0087.1u0439.235 ++=+

Qu8373.235u0526.236 +=

u2153.0u8373.235u0526.236Q =−=

กลายเปนพลงงาน MeV55195.200)u/MeV5.931()u2153.0( =×=

พลงงานสวนใหญทไดจากปฏกรยาการแบงแยกนวเคลยสอยในรปของพลงงานจลนของชนสวนการแบงแยกนวเคลยส โดยนวเคลยสทมมวลนอยจะมพลงงานจลนสงกวา เชน ในกรณน นวเคลยสของชนสวนการแบงแยกนวเคลยสทมมวลนอยจะรบพลงงานจลนไปประมาณ 100 MeV และชนสวนการแบงแยกนวเคลยสทมมวลมากจะรบพลงงานจลนไปประมาณ 68 MeV

เนองจากคา Q ทไดการแบงแยกตวของนวเคลยสหลายๆ แบบมระดบขนาดทใกลเคยงกนในทกปฏกรยา จงสรปวาการแบงแยกตวแตละสมการนนใหคา Q ประมาณ 200 MeV ตอการแบงแยกตวครงหนง ถาทาใหเกดการแบงแยกตวอยางตอเนอง จะไดพลงงานจานวนมหาศาลซงสามารถนาไปใชประโยชนไดประมาณ 80 % ของพลงงานทปลอยออกมาจากการแบงแยกตวของยเรเนยม อยในรปพลงงานจลนของผลตผลจากการแบงแยกตวซงแตกกระจายออกไปดวยความเรวหลายพน km/s แลวผลตผลเหลานนจะเสยพลงงานใหกบยเรเนยมทอย

127

รอบขางโดยเปลยนเปนพลงงานความรอน พลงงานสวนทเหลออก 20% จะเปนพลงงานจลนของนวตรอน และพลงงานของรงสแอลฟาและบตาซงเปนอนตรายตอสงมชวต

เมอชนสวนของการแบงแยกนวเคลยสชนกบตวกลางใดๆ พลงงานจลนทมในตวมนจะเปลยนเปนพลงงานความรอน สาหรบพลงงานของนวทรโนและรงสแกมมานามาใชประโยชนนอยมาก จงสมมตวา ในการแบงแยกนวเคลยส 1 ครง มพลงงานทนามาใชประโยชนจรงประมาณ 200 MeV ถาคดพลงงานจากการแบงแยกนวเคลยสของ U235

92 มวล 1 g จะได พลงงานจากการแบงแยกนวเคลยสของ U235

92 มวล 1 g

MeV200)u235/mol/g1002.61( 23 ×××=

MeV1012.5 23×=

cal1083.3MeV1012.5 1423 ×××=

เมอนาขอมลนไปเปรยบเทยบกบการเผาถานหนมวล 1 g จะไดพลงงานความรอน 8.1 kcal ดงนน U235

92 มวล 1 g จะไดพลงงานความรอนมากกวาถานหน 1 g ประมาณ 2 ลานเทา ธาตชนดแรกทเกดปฏกรยาการแบงแยกตวคอยเรเนยมตอมาพบวาธาตอนทม

มวลเชงอะตอมสงๆ สามารถทาใหเกดการแบงแยกตวไดเชนกน นวตรอนทเกดจากปฏกรยาการแบงแยกตว

เมอเกดปฏกรยาการแบงแยกตว จะไดนวตรอนเกดใหมซงเปนนวตรอนเรวแบงเปน 2 ชนดคอ

1. นวตรอนฉบพลน (Prompt neutron) เปนนวตรอนทผลตไดในชวงเวลานอยกวา s10 14− หลงจากเกดการแบงแยกนวเคลยส โดยนวตรอนนมประมาณ 99.36 % ของนวตรอน

ทงหมดทผลตไดจากปฏกรยาการแบงแยกนวเคลยส แสดงวาเมอรวมเปนนวเคลยสเชงประกอบแลวแตกเปน 2 ชนสวน แตละชนสวนจะมนวตรอนมากเกนไป จงปลดปลอยนวตรอนออกมาในชวงเวลาสนๆ และในชวงเวลาเดยวกนนนจะปลดปลอยรงสแกมมาฉบพลนออกมาดวย

2. ดเลยนวตรอน (Delayed neutron) มประมาณ 0.64% ของนวตรอนทงหมดของการแบงแยกนวเคลยส โดยนวตรอนชนดนเกดขนภายหลงจากการทาปฏกรยาหลายนาท นวตรอนชนดนมปรมาณนอยมาก แตมความสาคญอยางยงตอการควบคมปฏกรยาลกโซ (chain reaction) ใหเกดขนอยางตอเนองในระบบของเครองปฏกรณนวเคลยร (nuclear Reactor)

128

20.6.3.1 ปฏกรยาลกโซ (Chain Reaction)

ขาวการทาใหอะตอมแตกออกเปนสองเสยงของยเรเนยมเปนขาวทมความสาคญยงสาหรบนกฟสกสชาวอตาล ชอ แฟรม ในกลางป พ.ศ. 2485 แฟรมและคณะไดศกษาการทวคณของนวตรอนจากปฏกรยาการแบงแยกนวเคลยส แลวสรางเครองปฏกรณนวเคลยร (nuclear reactor) เครองแรกทมหาวทยาลยชคาโก โดยใชยเรเนยมออกไซดและแกรไฟตเปนสวนประกอบ เขาคดวา ถาจะนาการแบงแยกตวมาใชประโยชนได จะตองทาใหเกดปฏกรยาชนดเลยงตวเองไดกลาวคอ การแบงแยกตวครงแรกจะตองทาใหเกดการแบงแยกตวครงตอๆ ไปอยางตอเนองเปนลกโซ เพอจะไดพลงงานเพมขนเรอยๆ แตมปญหาวา ปฏกรยาลกโซนจะเกดขนกบการแบงแยกตวของยเรเนยมไดอยางไร

รปท 20.55 เครองปฏกรณนวเคลยรของเฟรมและคณะทมหาวทยาลยชคาโก

129

แฟรมตงจดมงหมายเมอเรมทาการวจยไววา เมอนวเคลยสของยเรเนยมเกด การแบงแยกตวนน เกดนวตรอนขนหรอไม ถาเกด เกดขนจานวนกตว รปท 20.56 แสดงการเกดปฏกรยาลกโซของยเรเนยมทไมมการควบคม นวตรอนทวงเขามาทางซายมอชนยเรเนยมซงวางไวเปนเปา ยเรเนยมแตกออกเปนสองเสยงและเกดนวตรอนเรวขนสองตว นวตรอนสองตวน กระแทกกบนวเคลยสของยเรเนยมอกสองนวเคลยสเกดนวตรอนเรวเปนสตว โดยวธนจะทาใหเกดการแบงแยกตวอยางตอเนองเปนลกโซเพมขนเรอยๆ ซงเปนปฏกรยาลกโซ ประกอบกบแฟรมทราบวา สารอนทปนอยกบ 235U เชน โบรอนและ 238U จะจบนวตรอนพลงงานตาแลวไมเกดการแบงแยกตวและมนวตรอนบางสวนทไมกระทบกบยเรเนยมเลย นนคอ ปฏกรยาลกโซจะเกดขนไดกตอเมอจะตองมนวตรอนเกดขนประมาณ 2 ตว

รปท 20.56 แสดงการเกดปฏกรยาลกโซของยเรเนยม จากแตละนวเคลยสของยเรเนยมซงอยางนอยจะมนวตรอนหนงตวจากการแบงแยกตวครงหนง ไปทาใหนวเคลยสของยเรเนยมอกนวเคลยสหนง เกดการแบงแยกตวและจากการวดพบวา การแบงแยกตวของนวเคลยสของยเรเนยมแตละครงจะมโอกาสเกดนวตรอนตวใหมประมาณ 2.5 นวตรอน นนคอ บางครงการแบงแยกตวจะให 2 นวตรอน บางครงจะให 3 นวตรอน ซงมากเกนพอทจะใหนวเคลยสอน (ทไมใช 235U) จบหรอสญหายไปบางเนองจากนวตรอนทเกดใหมสวนใหญเปนนวตรอนเรว ซงทาปฏกรยานวเคลยรกบ 238U ไดดแลวใหรงสแกมมาโดยไม

130

เกดการแบงแยกตว แฟรมคดวา นาจะใชธาตเบาๆ ใสเขาไปในกองยเรเนยมเพอทาใหนวตรอนลดความเรวลง เพราะถาใหนวตรอนกระดอนไปมาใหกระทบกระแทกกบธาตเบาๆ เชน คารบอน นวตรอนจะมโอกาสหนจากการถกจบโดย 238U และเพมโอกาสให 235U จบนวตรอน ทาใหเกดการแบงแยกตวแบบตอเนองไดมากขน เขาคดวาถาใชคารบอนหรอแกรไฟตจานวนมากนวตรอนซงเกดจากการแบงแยกตวของยเรเนยมจะกระทบอะตอมของคารบอน ถาคารบอนบรสทธเพยงพอมนจะกระดอนไปมาโดยไมถกจบยด นวตรอนปะทะกบธาตเบาๆ ทเรยกกนวา มอเดอเรเตอร (moderator) หรอตวหนวงความเรว มนจะเสยพลงงานจลนใหกบธาตเบาๆ เหลานน ทาใหความเรวของมนลดลงกลายเปนนวตรอนชาซงมโอกาสทจะทาให 235U เกดการแบงแยกตวไดไมยากนก และทาใหเกดนวตรอนมากขนเพอใหเกดปฏกรยานวเคลยรตอไป เพอทาใหนวตรอนวงชาลงจงฝงยเรเนยมกระจายอยในมอเดอเรเตอร ซงเปนสารทนวเคลยสของมนดดกลนพลงงานจากนวตรอนเรวทวงมาชนโดยไมมการจบไว การถายเทพลงงานนเกดมากเมอมวลของอนภาคทชนมขนาดเทาๆ กน แตไฮโดรเจนซงมมวลเกอบเทากบมวลของนวตรอนพรอมทจะจบนวตรอนเกดเปนดวเทอรอน ดงสมการ

γ+→+ HnH 21

10

11

ดวเทอรอนทาปฏกรยากบนวตรอนไดยากกวา ทาใหนาชนดหนก (heavy water) ซงประกอบดวยโมเลกลของดวเทอรอนจงเปนตวหนวงความเรวทเหมาะสม เครองปฏกรณนวเคลยรเครองแรกทเฟรมและคณะสรางขน ใชคารบอนในอนยรปของแกรไฟตเปนตวลดระดบพลงงานของนวตรอนทเกดใหม เพราะแกรไฟตหางายกวานาชนดหนก ปฏบตการจรงๆ ของเครองปฏกรณนวเคลยรเรมจากการใสยเรเนยม (หรอสารทจบยดนวตรอนแลวเกดการแบงแยกตวและใหนวตรอนเกดใหม 2.5 อนภาค) ใสเขาไปในมอเดอเรเตอรในตาแหนงทางเรขาคณตทเหมาะสม นวตรอนตวเรมแรกอาจไดจากรงสคอสมกหรอจากการแบงแยกตวซงเกดขนเอง วงไปชน 235U แลวนวเคลยสของ 235U เกดการแบงแยกตวและปลอยนวตรอนเกดขนใหมอกสองหรอสามนวตรอน นวตรอนเรวทเกดใหมนจะวงชนกบนวเคลยสของมอเดอเรเตอรหลายตอหลายครง นวตรอนจงถายเทพลงงานจลนใหกบมอเดอเรเตอรแลววงชาลง จงมพลงงานลดลงจากหลายๆ MeV จนกลายเปนนวตรอนชาซงมพลงงานไมถง 1 MeV นวตรอนชานจะถกจบโดย 235U แลว 235U เกดการแบงแยกตวเปนดงนอยางตอเนองกนไปโดยการแบงแยกตวครงหนงจะมนวตรอนเกดใหม 2 อนภาค นวตรอนนจะวงชน U235

92 ตวอนๆ อก ปรมาณนวตรอนจงเพมจาก n32 2...2221 →→→→→ เมอ ...,3,2,1n = เรยกวาเกด ปฏกรยาลกโซ ชวงเวลา

ระหวางการปลอยนวตรอนชดแรกกบการท 235 U จบนวตรอนชดนสนกวา s10 3− และในการ

แบงแยกตวของ U23592 หนงครงจะไดพลงงานออกมาประมาณ 200 MeV นนคอ ยงมการ

131

แบงแยกตวของนวเคลยสของ U23592 มากเทาใด พลงงานจะยงมากขนเปนทวคณ จงจาเปนตอง

หาวธควบคมอตราการเกดปฏกรยาลกโซ

รปท 20.57 เครองปฏกรณนวเคลยร โดยใชสารซงมสมบตดดกลนนวตรอนไดงาย เชน แคดเมยมหรอโบรอนโดยบรรจสารดงกลาวในแทงควบคม (control rod) ซงสอดไวในเครองปฏกรณนวเคลยร เพอเพมหรอลดอตราการเกด ปฏกรยาลกโซ เมอกดแทงควบคมใหจมลกลงไปมนจะดดกลนนวตรอนชาเพมขน จงเปนการลดการเกดปฏกรยาลกโซและลดปรมาณความรอนทเกดจากปฏกรยา ในทางตรงขาม ถาดงแทงควบคมขนมาจะเกดปฏกรยาลกโซเพมขน ทาใหอณหภมของเครองปฏกรณสงขนดวย โดยทนวตรอนมอนตรายตอมนษยและเครองมอตางๆ อยางมาก จงไมใชพลงงานความรอนทเกดจากปฏกรยาลกโซไปทาใหของเหลวกลายเปนไอโดยตรงเหมอนกบเตาตมนา แตจะใหของไหลไหลวนไปในเครองปฏกรณ (reactor) แลวไหลไปสงผานความรอนทเครองกาเนดไอนา (steam generator) ดงรปท 20.57 นาในเครองกาเนดไอนาจะเปลยนสถานะเปนไอนาใชขบเคลอนกงหนไอนา (steam turbine) แลวนาผลการหมนของเพลาเทอรไบนไปประยกตใชงานเชน หมนเครองกาเนดไฟฟา เกดเปนโรงไฟฟาพลงงานนวเคลยร (nuclear power plant) หรอใชขบเคลอนเรอเดนสมทรทงบนผวนาและใตนา ใชเปนตนกาเนดกาลงจายใหกบโรงงานอตสาหกรรมขนาดใหญ ใชขบเคลอนยานอวกาศ ใชกลนนาทะเลใหเปนนาจด ใชผลตสารกมมนตรงสเพอใชทางการแพทย ฯลฯ โดยเครองปฏกรณนวเคลยรประเภทตางๆ ทสรางขนนน มงทจะนามาใชประโยชนในทางสนต เนองจากเชอเพลงฟอสซลในรปของนามน ถานหน และแกสธรรมชาตมปรมาณลดลงและจะหมดไปในอนาคต นกวทยาศาสตรจงแสวงหาหาพลงงานชนดใหมมาทดแทน พลงงานจากเชอเพลงฟอสซล หนงในพลงงานทเหมาะสมคอ พลงงานนวเคลยร เพราะ

132

1. มตนทนการผลตตาเมอคดในระยะยาว เพราะพลงงานทไดมปรมาณ มากมายเมอเทยบกบปรมาณเชอเพลงเพยงเลกนอย เชน ยเรเนยมหนงปอนดใหพลงงานเทยบเทากบถานหนถง 2,300,000 ปอนด

2. ใชเชอเพลงปรมาตรนอยๆ จงไมเปลองหองเกบ พนทสวนใหญของเรอเดน สมทร จรวด สามารถนาไปใชประโยชนดานอนได และไมตองแวะเตมเชอเพลงบอยๆ ทาใหเคลอนทไดนานกวาและไกลกวาเชอเพลงทใชในปจจบน เชน เรอดานาขบเคลอนดวยพลงงานนวเคลยรลาแรกของสหรฐอเมรกาและของโลก ชอ นอตลส แลนไดทาง 62,500 ไมล โดยไมตองเตมเชอเพลงเลย 3. การใชพลงงานนวเคลยรขบเคลอนยานอวกาศดจะเหมาะสมกวาการใช เครองยนตจรวดทใชไฮโดรเจนเหลวเปนเชอเพลงในปจจบนเพราะวาถาใชเครองปฏกรณ นวเคลยรเปนตนกาลงในการขบเคลอนยานอวกาศแลว เปนการ

ลดนาหนกและปรมาตรของเชอเพลงไดอยางมากจงสามารถเพม ปรมาตรและนาหนกทจะบรรทกอปกรณการวจยไดมากขน 3.2 ขบเคลอนไดระยะทางไกลกวา จงใชเดนทางไปในอวกาศไดนานกวา

20.6.4 การหลอมนวเคลยส (Nuclear Fusion)

รปท 20.58 แสดงการหลอมนวเคลยสของธาตดวเทอรอนและทรเทยม การหลอมนวเคลยสนยามวา เปนปฏกรยาการหลอมนวเคลยสของธาตเบาตงแต

2 นวเคลยสขนไป ใหกลายเปนนวเคลยสเดยวทหนกกวาพรอมกบปลดปลอยพลงงานออกมาเชน การหลอมนวเคลยสของดวเทอเรยม )H(2

1 กบทรเทยม )H(31 เปนฮเลยม )He(4

2 โดยมวลของนวเคลยสทเกดใหมหลงจากเกดปฏกรยาการหลอมนวเคลยสจะตองนอยกวาผลรวม

133

ระหวางมวลของนวเคลยสเบากอนเกดปฏกรยา โดยผลตางของมวลจะเปลยนเปนพลงงาน ตามสมการ 2mcE =

ตวอยางท 20.15 จงหาพลงงานทปลดปลอยออกมาจากการหลอมดวเทอเรยม 2 นวเคลยสเปนฮเลยม 1 นวเคลยส เมอดวเทอเรยมมมวล 2.014102 u สวนฮเลยมมมวล 4.002604 u

วธทา สมการนวเคลยรของตวอยางนคอ HeHH 42

21

21 →+

กอนเกดการหลอมนวเคลยส

มวลของดวเทอเรยม 2 อะตอม u028204.4u014102.22 =×=

มวลของฮเลยม 1 อะตอม u002604.4=

ดงนน มวลลดลง u002604.4u028204.4 −=

u025600.0= ∴ พลงงานทปลดปลอยออกมา u/MeV3.931u025600.0 ×=

MeV84.23=

คาตอบ ในการหลอมนวเคลยสนจะปลดปลอยพลงงานออกมา 23.84 MeV

ปฏกรยาพนฐานทดาวฤกษทงหลายในจกรวาลปลดปลอยพลงงานออกมา และเปน แหลงกาเนดของพลงงานเกอบทงหมดในจกรวาลคอ การหลอมนวเคลยสของไฮโดรเจนใหเปนฮเลยม ในการตรวจสอบจากสเปกตรมพบวา ดาวฤกษทอยใกลเรามากทสดคอดวงอาทตยประกอบดวยแกสไฮโดรเจนประมาณ 80% และแกสฮเลยมประมาณเกอบ 20% นอกจากนนเปนคารบอน ไนโตรเจน และออกซเจนอกเลกนอย แลวยงทราบวาอณหภมในใจกลางของดวงอาทตยมคาประมาณ K108 ซงสงพอทจะทาใหเกดปฏกรยาการหลอมนวเคลยสได ในดาวฤกษทมความดนและอณหภ มสงมากนนจะทาใหอะตอมของธาตตางๆ แตกตวอยในสภาพไอออนของนวเคลยสและอเลกตรอนเรยกวา พลาสมา (plasma) เมออยในสภาพเชนนแรงคลอมบจะหมดไป โดยพลาสมาจะเคลอนทดวยความเรวสงมาก เมอมนวงเขาชนกน อาจจะเกดการหลอมนวเคลยสเขาดวยกน ซงเปนปฏกรยาคายพลงงาน จงปลดปลอยพลงงานออกมามากมายถง

s/J108.3 26×

134

ในป พ.ศ. 2481 ฮาน เบเท (Hane Bathe) ไดเสนอปฏกรยาการหลอมนวเคลยสแบบหนงซงอาจจะเปนไปไดคอ วฏจกรคารบอน–ไนโตรเจน–ออกซเจน (carbon–nitrogen-oxygen cycle) ซงมขนตอนของปฏกรยาดงน

รปท 20.59 วฏจกรคารบอน–ไนโตรเจน–ออกซเจน

γ+→+ NHC 137

11

126 + 1.95 MeV ( 610 y)

ν++→ + eCN 01

136

137 + 2.22 MeV (10 min)

γ+→+ NHC 147

11

136 + 7.54 MeV (2 x 510 y)

γ+→+ OHN 158

11

147 + 7.35 MeV (3 x 710 y)

ν++→ + eNO 01

157

158 + 2.71 MeV (2 min)

HeCHN 42

126

11

157 +→+ + 4.96 MeV )y10( 4

ในวฏจกรน C126 ทาหนาทคลายกบเปนตวเรงปฏกรยา โดยเขยนรวมสมการชดนไดเปน

γ+ν++→ + 32e2HeH4 01

42

11 + 26.73 MeV (20.44)

จงสรปวา ในวฏจกรคารบอนน ไฮโดรเจน 4 นวเคลยส หลอมรวมกนกลายเปนฮเลยม 1 นวเคลยสพรอมกบปลดปลอยพลงงานออกมา 26.73 MeV แตผลผลตของปฏกรยามอนภาคนวทรโนเกดขน 2 อนภาค โดยแบงพลงงานไปประมาณ 1.7 MeV ดงนนพลงงานรวมทปลดปลอยออกมาตอการเกดปฏกรยา 1 ครงจงลดลงเหลอเพยง 26.73 – 1.7 MeV03.25= ซงอาจจะหาพลงงานทเกดขนจากคา Q ของสมการ

135

Q32e2HeH4 01

42

11 +γ+ν++→ +

มวลกอนเกดปฏกรยา u031300.4u007825.14 =×=

มวลหลงเกดปฏกรยา e2มวลของHeมวลของ 01

42 ++=

u003701.4u000549.02u002603.4 =×+=

มวลทหายไป u027599.0u003701.4u031300.4m =−=∆=

∴ พลงงานปลดปลอย MeV708469.25)u/MeV5.931(u027599.0 =×=

โดยจะไดคาใกลเคยงกบวธแรก ใน 1 ลานปดวงอาทตยจะมมวลลดลงจากกระบวนการหลอมนวเคลยสประมาณ 710− ของมวลเดม เมอมวลของดวงอาทตยเทากบ kg102 30× และในปจจบนของดวงอาทตย

มอาย y1010 จากมวลทลดทอนลงไปตามวฏจกรคารบอนจงประมาณคาไดวา ดวงอาทตยจะแผ

พลงงานตอไปอกประมาณ y1030 9× หรอ 30,000,000,000 ป จากนนไดมการแกไขเพมเตมการประมาณคาของอณหภมทศนยกลางของดวงอาทตยโดยใชวฏจกรโปรตอน–โปรตอน (proton–proton cycle) ซงประกอบดวยกระบวนการดงน

1. โปรตอน 2 ตวหลอมรวมเปนนวเคลยสของดวเทอเรยม 1 ตว 2. ดวเทอเรยมและโปรตอนอยางละ 1 ตว หลอมรวมเปน He3

2 3. นวเคลยสของ He3

2 2 นวเคลยสทาปฏกรยากน หลอมรวมเปน He42 และ

โปรตอน 2 ตว เขยนแทนดวยสมการ

MeV42.0eHHH 01

21

11

11 +ν++→+ + (7 x 910 y)

MeV55.0HeHH 32

21

11 +γ+→+ (10 s)

MeV8.12HHHeHeHe 11

11

42

32

32 +γ+++→+ (3 x 510 y)

136

รปท 20.60 วฏจกรโปรตอน–โปรตอน

ในปฏกรยาการหลอมนวเคลยสชดน 2 สมการแรกจะตองเกดขน 2 ครงกอนเพอให เกดผลผลตคอ He3

2 นาไปใชในสมการสดทาย เมอรวมสมการชดนทงหมดจะได

MeV64.2422e2HeH4 01

42

11 +γ+ν++→ + (20.45)

จากปฏกรยาการหลอมนวเคลยสซงเกดขนในวฏจกรทงสอง พลงงานทปลดปลอยออกมาจากทงสองวฏจกรมคาใกลเคยงกน โดยแตละวฏจกรมคาประมาณ 26.7 MeV จากการหลอมรวมนวเคลยสของไฮโดรเจน 4 ตวเขาดวยกน เมอคดเปนพลงงานทไดตอนวคลออนจะเทากบ 6.675 MeV นาคานไปเปรยบเทยบกบพลงงานทไดจากปฏกรยาการแบงแยกนวเคลยส 1 ครง จะเกดพลงงานตอ 236 นวคลออนประมาณ 200 MeV เมอคดตอหนงนวคลออนจะไดพลงงานตอหนงนวคลออนประมาณ 0.85 MeV ดงนน พลงงานตอนวคลออนทไดจากปฏกรยาการหลอมนวเคลยสจะมคามากกวาปฏกรยาการแบงแยกนวเคลยสประมาณ 6.675/0.85 ≈ 8 เทา นกวทยาศาสตรพยายามนาปฏกรยาการหลอมนวเคลยสมาใชเปนแหลงพลงงานของมนษยชาตตอไปในอนาคต เนองจากปรมาณของดวเทอเรยมมอยมากมาย โดยสกดไดจากนาในมหาสมทร นนคอเราจะไดเชอเพลงสาหรบผลตไฟฟาจากปฏกรยาการหลอมนวเคลยสทมากมาย และยงไมกอปญหาในการกาจดกากกมมนตภาพรงส ซงแตกตางจากเครองปฏกรณการแบงแยกนวเคลยส แตมความยงยากคอ การหลอมนวเคลยสตองการอณหภมทสงมาก และการบรรจพลาสมาทอณหภมประมาณ 810 K ในปจจบนยงไมมสารใดทจะทนไดถงอณหภม K106 โดยอณหภม

137

ซงสงมากเชนน สสารทใชเปนภาชนะบรรจจะกลายเปนไอ และพลาสมาจะฟงกระจายออกไป ดงนนแทนทจะบรรจพลาสมาในภาชนะอาจจะเลอกวธกกขงพลาสมาไวทศนยกลางของหลอดทมเสนผานศนยกลางใหญมาก ดวยสนามแมเหลกจากภายนอก เทคนคหนงทใชเรยกวา ปรากฏการณพนช (pinch effect) และระบบแมเหลกอนๆ ทกาลงศกษามสเตลลาเรเตอร (stellarator) ระบบกระจกแมเหลก (magnetic mirror system) แอสตรอน (astron) การศกษาการหลอมนวเคลยสยงคงทาการทดลอง ศกษา คนควา และแกปญหาในการบรรจพลาสมาตอไป

รปท 20.61 โทคามคและสเตลลาเรเตอร ปฏกรยาการหลอมนวเคลยสซงเกดขนอยางตอเนอง ภายใตอณหภมและความดนสงมากภายในดวงดาวทมสมบตคอ ดาวฤกษเชนดวงอาทตยทมอณหภมภายในประมาณ K108 ซงเหมาะสมกบการเกดวฎจกรโปรตอน–โปรตอน โดยทวไปแลววฎจกรคารบอน–ไนโตรเจน– ออกซเจน มประสทธภาพสงกวาทอณหภมสงๆ ในวฎจกรโปรตอน–โปรตอนมประสทธภาพสงทอณหภมตา ดงนนดาวฤกษทรอนกวาดวงอาทตยจะไดพลงงานสวนใหญจากวฎจกรคารบอน–ไนโตรเจน–ออกซเจน เรยกปฏกรยาทตองการอณหภมสงมากนวา ปฏกรยาเทอรมอนวเคลยร (thermonuclear reaction) และเรยกพลงงานทปลดปลอยออกมาวา พลงงานเทอรมอนวเคลยร โดยเฉพาะเมอมนษยจาลองปฏกรยาการหลอมนวเคลยสใหเกดขนบนโลกภายใตการควบคมของมนษยแลว วฎจกรทงสองทกลาวมาไมไดใหความหวงทจะทาไดเลยเนองจากแตละขนตอนในวฎจกรใชเวลานานมาก ปฏกรยาการหลอมนวเคลยสทเปนไปไดจากแหลงกาเนดพลงงานบนโลกซงเปนปฏกรยาการหลอมนวเคลยสแบบอนๆ ทแตกตางไปจากวฏจกรทงสองคอ ปฏกรยาการหลอมนวเคลยสซงเกดการหลอมรวมตวกนโดยตรง ระหวางดวเทอรอนแบบใดแบบหนง ดงน

HHHH 11

31

21

21 +→+ + 4.0 MeV (20.46)

138

nHeHH 10

32

21

21 +→+ + 3.3 MeV (20.47)

และปฏกรยาการหลอมนวเคลยสซงเกดการหลอมรวมตวกนตรงๆ ระหวางดวเทอรอน กบตรตรอน เพอเกดเปนอนภาคแอลฟา (รปซายมอ) และการแบงแยกนวเคลยสของยเรเนยมโดยอนภาคนวตรอนได นวเคลยสขนาดกลาง 2 ธาต และอนภาคนวตรอน 2 อนภาค (รปขวามอ) ดงน

รปซายมอ nHeHH 10

42

31

21 +→+ + 17.6 MeV (20.48)

รปขวามอ e7n2MoLanU 01

10

9542

13957

10

23592 −+++→+ (20.49)

รปท 20.62 เปรยบเทยบการหลอมและการแบงแยกนวเคลยส

นนคอ ปฏกรยาการหลอมนวเคลยสของ ดวเทอรอนกบตรตรอน จะใหพลงงานออกมา 17.6 MeV โดยเปนพลงงานจลนของอนภาคแอลฟา 3.5 MeV และพลงงานจลนของนวตรอน 14.1 MeV ในกระบวนการผลตพลงงานนน ผลทเปนอนภาคซงมประจไฟฟาเปลยนเปนพลงงานไฟฟาได สวนนวตรอนซงไมมประจไฟฟานน พลงงานจลนจะถกเปลยนเปนพลงงานความรอนตอไป การผลตพลงงานจากการหลอมนวเคลยสชนดไมมการควบคม มนษยประสบผลสาเรจอยางดยงในระเบดไฮโดรเจน แตการผลตพลงงานภายใตการควบคมการหลอมนวเคลยสนนไดผานขนตอนในการวจยซาซอนหลายครงหลายคราว ววฒนาการของเทคโนโลยดานนไดกาวหนาเรอยมาตลอดเวลากวา 60 ปทมนษยไดทมเทใหกบงานนอยางมากมายโดยมผลงานคอ เครองปฏกรณการหลอมนวเคลยรแบบโทคามค (Tokamak) ในประเทศรสเซย อเมรกา ญปนเยอรมน เปนตน เครองปฏกรณแบบหลอมนวเคลยสโดยใชเลเซอรน มนษยตงความหวงไววาปฏกรณการหลอมนวเคลยสนาจะแลวเสรจอยางสมบรณกอนป พ.ศ. 2553 และเมอนนเรากจะ

139

อยในโลกโดยใชพลงงานไดอยางไมตองประหยดมากนกเพราะมพลงงานมากเกนพอทจะใช เนองจากมเชอเพลงคอ ดวเทอเรยมซงมอยในแมนา ทะเล และมหาสมทร ในอตราสวน 1 ดวเทอเรยมตอ 6,500 อะตอมของไฮโดรเจนธรรมดา ทเปนสวนประกอบของนา หรอคดเปน 0.015 % นนคอในแหลงนาทงหมดของโลกเราจะมดวเทอเรยม อยถง 1510 ตน อนจะทาใหเราใชเปนเชอเพลงในเครองปฏกรณแบบหลอมนวเคลยสไดนานนบพนป ในทางทฤษฎพลงงานทไดจากการหลอมนวเคลยสของดวเทอเรยมในนาหนงลตรจะไดพลงงานเทากบการเผาไหมของ นามนแกโซลน (gasoline) ประมาณ 300 ลตร

140

แบบฝกหด 20.6 ปฏกรยานวเคลยร คาสง จงกาเครองหมาย X ทบตวเลอก ก ข ค ง ทเหนวาเปนคาตอบทถกตองทสด 1. จงเลอกขอทถกตอง

ก. โดยทวไปถาคาควเปนบวก ปฏกรยานวเคลยรจะเกดขนได ข. ในทางปฏบตโอกาสจะเกดปฏกรยานวเคลยสยงขนกบคาภาคตดขวาง ค. ภาคตดขวางมหนวยเปนพนทและนยมใชเปน บารน (barn) โดยท 1 บารน

228 m10−= ง. ทงขอ ก, ข และ ค

2. ปฏกรยานวเคลยรแบบฟชชน มผลทางฟสกสทอาจสรปไดตามขอตอไปน 1. เกดจากอนภาคททมพลงงานสงวงเขาชนนวเคลยส

2. ปฏกรยานวเคลยรใหพลงงานสงนบในยาน MeV 3. แรงในปฏกรยานวเคลยรเปนแรงนวเคลยรซงมอนตรกรยาสงมาก 4. ในปฏกรยาจานวนอะตอมไมจาเปนตองคงทแตจานวนนวคลออนตองคงท

คาตอบคอ ก. ขอ 1, 2 และ 3

ข. ขอ 1 และ 3 ค. ขอ 2 และ 4

ง. ขอ 1, 2, 3 และ 4 3. ในปฏกรยานวเคลยรจะประพฤตตามหลกขอใด

ก. การอนรกษของประจไฟฟา ข. การอนรกษของจานวนนวคลออนทงหมด ค. การอนรกษมวล–พลงงาน การอนรกษของโมเมนตม เชงเสน และการอนรกษ

โมเมนตมเชงมม ง. ทง ก, ข และ ค

4. ลกษณะสาคญของปฏกรยานวเคลยรคอ ก. พลงงานทเกยวของอยในระดบขนาด 610 อเลกตรอนโวลต ข. แรงทเกดเปนแบบ Strong interaction ค. จานวนอะตอมไมจาเปนตองคงท ง. ถกหมด

141

5. จงเลอกขอทถกตอง ก. โดยทวไปปฏกรยาตามขบวนการพชชนและฟวชน จะใหพลงงานใกลเคยงกน

ข. พลงงานทเกดจากขบวนการฟชชนของยเรเนยมมคาประมาณ 20 MeV ค. ปฏกรยานวเคลยรในดวงอาทตยเปนแบบฟชชน ง. วฏจกรโปรตอน–โปรตอนซงเปนปฏกรยาทางฟวชนนนจะให พลงงานประมาณ 25 Mev

6. ลกษณะสาคญของแรงนวเคลยรคอขอใด ก. short range force ข. ไมขนกบชนดของประจไฟฟา ค. เปนแรงดดอยางเดยว ง. ถกทกขอ

7. ขอสรปเกยวกบแรงนวเคลยรตามทรจกกนในปจจบนม อยางไร ก. เปนแรงดดในชวง 1 – 2 เฟรม แตถาใกลกนประมาณ 0.4 เฟรม จะ

กลายเปนแรงผลก ข. ไมไดขนอยกบระยะระหวางนวคลออนเพยงอยางเดยว ค. ไมขนอยกบประจ ง. ทงขอ ก, ข และ ค

8. เมอนวเคลยสของ Th23290 แผรงสออกมาแลวไดนวเคลยสทเสถยรพรอมใหอนภาคตอไปน

particle1particle4particle2partice1 −α→−α→−β→−α จงหาวา ใน นวเคลยสทเสถยรแลวนนมจานวนโปรตอนและนวตรอนอยอยางละกตว ก. 78 , 118

ข. 80 , 126 ค. 82 , 126

ง. 82 , 208 9. สารกมมนตรงส U234

92 จะตองปลดปลอยอนภาค α และ β อยางละกครงตามลาดบจง จะได Po214

84 ก. 2 , 5 ครง

ข. 4 , 6 ครง ค. 5 , 2 ครง

ง. 4 , 2 ครง

142

10. a และ b คออะไรในสมการ bNaC 147

136 +→+

ก. γ== b,na 10

ข. eb,Ha 01

11 −==

ค. eb,a 01−=γ=

ง. γ== b,Ha 11

11. Z และ b คออะไรในสมการ Au)b,n(Hg 197Z

19880

ก. nb,79Z 10==

ข. Hb,81Z 11==

ค. Hb,79Z 21==

ง. eb,81Z 01−==

12. จากปฏกรยาน HOAN 11

178

147 +→+ ทานคดวา A ควรเปนอะไร

ก. H21

ข. H31

ค. He32

ง. He42

13. จากปฏกรยา X)n2,n(Ag AZ

10747 อยากทราบวา A และ Z จะมคาเทาไร

ก. 106 , 47 ข. 106 , 46

ค. 107 , 46 ง. 107 , 47

14. สมการแบบยอ Cu)n,p(Ni 5829

5828 เขยนเปนสมการแบบสมบรณในขอใด

ก. HCunNi 11

5829

10

5828 +→+

ข. HNinCu 11

5828

10

5829 +→+

ค. nCuHNi 10

5829

11

5828 +→+

ง. HNin2Cu 21

5828

10

5829 +→+

143

15. เมอโปรตอน H11 จานวน 4 ตว หลอมรวมกนเปนปฏกรยาฟวชนจะได He4

2 และอนภาคอก ชนดหนงจานวน 2 ตว พรอมทงใหพลงงานจานวนหนงออกมา อนภาคนนคออะไร ก. อเลกตรอน

ข. โปรตอน ค. โพสตรอน

ง. นวตรอน 16. x ในสมการ P)p,x(S 32

153216 คออะไร

ก. โปรตอน ข. เนกาตรอน

ค. นวตรอน ง. โพลตรอน

17. ปฏกรยานวเคลยรตอไปน x เปนปฏกรยาใดทเปนธาตชนดเดยวกบธาตกอนทาปฏกรยา ก. x)n,p(Ni58

28 ข. x)p,d(P31

15 ค. x),d(Al27

13 α ง. x),(He3

2 γα 18. O)p,(N 17

8147 α มความหมายวาอยางไร

ก. α เปนอนภาคทชน สวน p เปนอนภาคผลผลต ข. N14

7 เปนนวเคลยสเปา ค. O17

8 เปนนวเคลยสสะทอน ง. ทงขอ ก, ข และ ค

19. ถาอะตอมยเรเนยม )U(23592 จบนวตรอนชาตวหนง จะทาใหอะตอมนกลายเปนอะตอม

Xe13954 หนงอะตอมและ Sr94

38 อกหนงอะตอม และยงมอนภาคอนเกดขนอก อนภาคนน คออะไรและมจานวนเทาใด

ก. อเลกตรอน 3 อนภาค ข. โปรตอน 3 อนภาค ค. นวตรอน 3 อนภาค ง. โพสตรอน 3 อนภาค

144

20. พลงงานจากปฏกรยาตอไปน ขอใดใหพลงงานตอมวลมากทสด ก. MeV8.26e2HeH4 0

142

11 ++→ −

ข. MeV6.17nHeHH 10

42

31

21 ++→+

ค. MeV7.7AlnAl 2813

10

2713 +γ+→+

ง. MeV200n3KrBanU 10

9236

14156

10

23592 +++→+

21. จากปฏกรยาการรวบของอนภาคโพสตรอนพลงงาน 0.4 MeV และอนภาคอเลกตรอนทม พลงงานตามาก ๆ ปรากฏวาเกดรงสแกมมาทมพลงงานเทากน 2 ตว พลงงานของรงส แกมมาแตละตวเทาใด (มวลของอเลกตรอน 0.00055 u) ก. 0.02 MeV

ข. 0.31 MeV ค. 0.51 MeV

ง. 0.71 MeV 22. มวลเชงอะตอมของธาต Li,H 7

311 และ He4

2 คอ 1.0080, 7.0160 และ 4.0026 u ตามลาดบ

จงหาพลงงานทจะปลอยออกมา เนองจากปฏกรยา HeHeHLi 42

42

11

73 +→+

ก. 0.0186 x 931 Mev ข. 2 x0.0188 x 931 Mev

ค. 8 x 0.0188 x 931 Mev ง. 4 x 0.0188 x 931 Mev

23. ให A, B, C, D เปนเชอเพลงนวเคลยร Y , Z เปนนวเคลยสทเกดจากปฏกรยาฟชชน และคอนวตรอน ทานคดวาปฏกรยาฟชชนขอใดทเหมาะจะนาไปทาเปนเชอเพลงนวเคลยร ก. MeV210ZYnA ++→+ ข. MeV200nZYnB +++→+ ค. MeV190n2ZYnC +++→+ ง. MeV180n3ZYnD −++→+

24. จากปฏกรยา CHe3 126

42 → ถามวลเชงอะตอมของ u002604.4He4

2 = และ

u00000.12C126 = พลงงานนวเคลยรตอมวลทไดคอ ก. 7.27 เมกะอเลกตรอนโวลต ข. 2.42 เมกะอเลกตรอนโวลต ค. 0.61 เมกะอเลกตรอนโวลต ง. 1.82 เมกะอเลกตรอนโวลต

145

25. จากความรเรองฟชชนของเชอเพลงนวเคลยร U23592 ปรากฏวาสมการ

MeV200n10SCaBanU 10

3516

4920

14156

10

23592 −+++→+ สมการนมขอผดพลาด

กประการ ก. 2 ประการ

ข. 3 ประการ ค. 4 ประการ

ง. 5 ประการ 26. ในกรณท He4

2 ชนกบ Be94 แลวให C12

6 และ n10 นน ถามวลของ

u008665.1n,u00000.12C,u012186.9Be,u002604.4He 10

126

94

42 ====

ปฏกรยานจะดดหรอคายพลงงานเทาใด ก. ดด 5.70 MeV

ข. คาย 5.70 MeV ค. ดด 0.57 MeV

ง. คาย 57.0 MeV 27. ถาปฏกรยาเกดขนดงสมการ nHeHH 1

042

31

21 +→+ มวลของ

u008665.1n,u002604.4He,u016049.3H,u014102.2H 10

42

31

21 ====

จงคานวณหาพลงงานสงสดทนวตรอนจะนาไปกเมกะอเลกตรอนโวลต ก. 17.6

ข. 13.2 ค. 8.8

ง. 4.4 28. ในปฏกรยา nNHeB 1

0147

42

115 +→+ มวลของอะตอมโบรอน ไนโตรเจน และของ

อนภาคแอลฟา คอ 11.01280 u , 14.00752 u และ 4.00387 u ตามลาดบ ถาอนภาค แอลฟามพลงงานจลน 5.250 MeV สวนนวตรอนและอะตอมไนโตรเจนมพลงงาน 3.260 MeV และ 2.139 MeV ตามลาดบ จงคานวณหามวลของนวตรอน ก. 1.000866 u

ข. 1.00875 u ค. 1.00899 u

ง. 1.00920 u

146

29. จากสมการ MeV200n3SeCenU 10

9234

14158

10

23592 +++→+ กาหนดมวลของ

u0439.235U23592 = , u1120.233U233

92 = , u9535.140Ce14158 =

u8582.91Se9234 = , u0087.1n1

0 = MeV931u1และ = ถารวมนวเคลยสของ Ce-141 และ Se-92 เขาเปนนวเคลยสเดยวกนจะตองใชพลงงาน เทาใดในหนวยเมกะอเลกตรอนโวลต

ก. 200 ข. 240

ค. 280 ง. 320

30. จากปฏกรยาแบบฟวชนทกาหนดให

)d...(..........MeV3.18HHeHeH

)c...(..........MeV6.17nHeHH

)b...(..........MeV0.4HHHH

)a...(..........MeV25.3nHeHH

11

42

32

21

10

42

31

21

11

31

21

21

10

32

21

21

++→+

++→+

++→+

++→+

ถาความงายในการทาใหเกดปฏกรยาฟวชนในแตละกรณเทากน ทานจะเลอกปฏกรยาใด ไปใชงาน

ก. สมการ (a) เพราะใชดวเทอเรยมอยางเดยว ข. สมการ (b) เพราะใหพลงงานสงกวา(b) ค. สมการ (c) เพราะพลงงานตอมวลทไดสงทสด ง. สมการ (d) เพราะพลงงานทใหสงมาก

147

20.7 ประโยชนของกมมนตภาพรงสและพลงงานนวเคลยร (Benefit of Radioactivity and Nuclear Energy )

จากการศกษานวเคลยสและกมมนตภาพรงส สามารถนาความรทไดมาใชประโยชนได 2 ทาง คอ การนากมมนตภาพรงสมาใช และ การใชพลงงานนวเคลยร

20.7.1 การนากมมนตภาพรงสมาใชในดานตางๆ

20.7.1.1 การใชกมมนตภาพรงสดานการเกษตรกรรม

ประเทศไทยมการเกษตรเปนอาชพหลกของประชากร โครงการนากมมนตภาพรงสมาใชเพอสงเสรมดานการเกษตร เปนตนวาการเพมผลผลตและเพมคณภาพของผลตผลซงกาลงแพรขยายออกไปสชนบทมากขน ตลอดทงการถนอมอาหาร ถงแมทกวนนคนทวไปจะหนมาใหความสาคญกบเรองความสะอาด ความปลอดภยของอาหารในการรบประทานมากขน แตกยงมผปวยสงอายและเดกเสยชวตจากอาการทองรวงและอาหารเปนพษอยเปนจานวนมาก ทงนเนองมาจากในอาหารทวางขายอยทวไปนนบางครงยงไมมความสะอาดเพยงพอและมกมการปนเปอนของเชอจลนทรยทกอใหเกดโรค รวมไปถงพยาธหลากชนด และแมวาจะมการนาวธการตางๆ มาใชเพอกาจดสงไมพงประสงคในอาหารเหลาน ไมวาจะเปนการใชความรอน การแชแขง หรอการใชสารเคม แตกยงไมอาจกาจดสงแปลกปลอมเหลานได 100 % แตยงมอกวธหนงทสามารถทาลายเชอรายเหลานไดอยางมประสทธภาพและยงเปนทยอมรบและใชกนอยางแพรหลายในหลายๆ ประเทศ นนคอ วธการการฉายรงส การฉายรงสอาหารไมตางจากการถนอมอาหารดวยวธอนทเราคนเคย เชนการตากแหง การอบ การยาง หรอแมแตการใชเตาไมโครเวฟ เพราะทกวธทกลาวมาลวนเปนการใชประโยชนจากคลนแมเหลกไฟฟาทงสน รงสทนามาใชในการถนอมอาหารคอ รงสแกมมา ซงเปนพลงงานชนดหนงทมลกษณะเปนคลนแมเหลกไฟฟา มความยาวคลนสน จงมอานาจทะลทะลวงผานไปในวตถสงมาก สามารถใชทาลายแมลง พยาธ และจลนทรยทปนเปอนมาในอาหารได ขอดของการถนอมอาหารดวยรงสคอ ใชไดกบอาหารทบรรจในหบหอเรยบรอยแลว นอกจากน การฉายรงสอาหารยงไมทาใหอณหภมของอาหารสงขน ทาใหรสชาตของอาหารไมเปลยนแปลงไปจากเดม เมอเรานาอาหารไปฉายรงส รงสจะไปทาลายยน (gene) และรบกวนการแบงเซลล ของสงมชวตเปนผลใหจลนทรย เชน แบคทเรย เชอรา และพยาธชนดตางๆ ไมสามารถมชวตอยได และดวยคณสมบตดงกลาวรงสจงสามารถใชกาจดไขหรอตวแมลงทอาจตดมาจากกระบวนการเกบเกยวหรอในขณะเกบรกษาผลผลตเพอรอนาไปจาหนาย อาหารทผานการฉายรงสในปรมาณทเหมาะสมจะไมตกคางหรอเปนอนตรายตอผบรโภคแตอยางใด เปรยบเหมอนกบการทาหมแดดเดยว ทเราตองนาหมไปตากแดดซงเนอหมไดรบพลงงานความรอน

148

จากแสงอาทตย แตหมชนนนจะไมกลายเปนดวงอาทตยไปดวย เชนเดยวกบการฉายรงสอาหารซงเปนเพยงการนาอาหาร ทบรรจภาชนะหรอหบหอเรยบรอยแลวไปผานรงสในปรมาณทเหมาะสม ซงรงสกจะวงผานเขาไปทาลายเชอโรคและพยาธในเนออาหาร บางสวนของรงสกจะวงทะลผานออกไป โดยไมเกดการตกคางในอาหารเลย การถนอมอาหารดวยรงสเปนวธทไดรบการรบรองจากองคการอนามยโลก องคการอาหารและเกษตรแหงสหประชาชาต และทบวงการพลงงานปรมาณระหวางประเทศแลววามความปลอดภยตอผบรโภค ปจจบนมประเทศตางๆ ทวโลกมากกวา 40 ประเทศใหการรบรองและยอมรบอาหารฉายรงส ทงนรวมทงประเทศไทยเราดวย การฉายรงสอาหารไมเพยงแตจะมความปลอดภย แตยงเปนวธทมประสทธภาพในการกาจดเชอโรคและพยาธสงกวาวธอนๆ รวมทงไมกอใหเกดการเปลยนแปลงของรสชาด เหมอนการถนอมอาหารดวยความรอนหรอการแชแขง และไมเกดสารตกคางเหมอนการถนอมอาหารดวยสารเคมเปนผลใหหลายๆ ประเทศ เชน สหรฐอเมรกา ญปน และอกหลายประเทศในยโรป ใหการยอมรบและนาวธการนมาใชกนอยางแพรหลาย ประเทศไทยมโรงงานฉายรงสอาหารทงของภาครฐและเอกชนเปดใหบรการอย 4 แหง ในสวนของภาครฐคอ ศนยฉายรงสอาหารและผลตผลการเกษตร สงกดสานกงานปรมาณเพอสนต ตงอยท ตาบลคลองหา อาเภอคลองหลวง จงหวดปทมธาน โดยศนยแหงนไมเพยงใหบรการแกหนวยงานภาครฐเทานน แตยงเปดบรการฉายรงสเพอการพาณชยใหกบเอกชนทสนใจ ซงผลตภณฑสวนใหญทมารบการฉายรงสตองมฉลากแสดงขอความและเครองหมายวาผานการฉายรงสแลว และตองแจงชอและทตงของผผลต ผฉายรงส และวน เดอน ป ทฉายดวย ทงนเพอใหเปนไปตามประกาศกระทรวงสาธารณสข ฉบบท 103 (พ.ศ. 2529) จากความกาวหนาทางเทคโนโลยนวเคลยร ทาใหชาวไทยมโอกาสไดรบประทานอาหารทสะอาดและปลอดภยจากเชอโรคและพยาธมากขน และชวยในการพฒนาเศรษฐกจดวยการฉายรงสอาหารและผลตผลการเกษตรทจะสงออกไปขายยงตางประเทศ

ประโยชนจากการใชกมมนตภาพรงส 1) การนาเทคนคทางรงสดานอทกวทยา ในการเสาะหาแหลงนาสาหรบการเกษตร 2) การใชเทคนคนวเคลยรวเคราะหดนเพอการจาแนกพนทปลกทาใหทราบวา

พนททศกษาเหมาะสมตอการเพาะปลกพชชนดใด และควรเพมปยชนดใดลงไป 3) ใชศกษาเกยวกบการอตราการดดซมของปย และแรธาต ของตนไมและพช

เศรษฐกจตางๆ เพอการปรบปรงการใชปยใหมประสทธภาพยงขน เชน ใชศกษาอตราการดดซมของปย หากตองการทราบวาปยฟอสฟอรสมประโยชนตอพชเพยงไร กใหพชดด P–32 ซงเปนธาตกมมนตรงสเขาไป เราสามารถตรวจสอบปรมาณของ P–32 ทใบพชไดโดยการวด รงสบตาทปลอยออกมาจาก P–32 เราจะทราบอตราการดดซมปยทพชนาไปใชสรางอาหาร

4) การใชรงสเพอการกาจดแมลงศตรพชบางชนดโดยวธทาใหตวผเปนหมน

149

และ การฉายรงสแกมมาเพอฆาแมลงและไขในเมลดพช ซงเกบไวในยงฉาง และ ภายหลงจากบรรจในภาชนะเพอการสงออกจาหนาย อกทงวเคราะหสารตกคางในสงแวดลอมจากการใชยาปราบศตรพช ยาฆาแมลง ซงมความสาคญตอผบรโภค

รปท 20.63 ศกษาการดดซมปยโดยการวดรงสบตาจาก P–32

5) การใชเทคนคการวเคราะหดวยวธอาบรงส เชน การถนอมเนอสตว พช ผก

รปท 20.64 แสดงผลไมทฉายรงสจะสกงอมชาลง และผลไม โดยการฉายรงสเพอเกบไวไดนานยงขน เปนประโยชนในการขนสงทางไกล และการเกบอาหารไวบรโภคนอกฤดกาล เชนประเภทเนอสตว ผก ผลไม จะเนาเปอยหรอสกงอมชาลง ปรมาณรงสทใชในการถนอมอาหารแตละชนดจะแตกตางกนไป ทาใหสะดวกในการสงสนคาทใชบรโภคออกไปจาหนายตางประเทศ หากถนอมดวยการอาบรงส ทาใหสะดวกและการสงออกสนคาดาเนนไปอยางมคณภาพ

6) การฉายรงสพนธพช เพอใหเกดการเปลยนแปลงทางพนธกรรม (induced mutation) โดยรงสจากธาตกมมนตรงสจะทาใหโครโมโซมในเมลดพนธพชเปลยนไป ดงนนเมอ นาเมลดพชไปเพาะกจะไดพชพนธใหม เชน

150

รปท 20.65 ขาวกลายพนธจากรงส

(ก) ขาวขาวมะล 105 ซงเปนขาวเจา จากผลการฉายรงส มการกลายพนธ มาเปนขาวเหนยว มกลนหอมเหมอนขาวขาวมะล

(ข) ขาวพนธ กข 15 ซงกเปนผลจากการฉายรงสขาวขาวมะล 105 แต เปนพนธทเกบเกยวไดไวกวาและมผลผลตสงกวาขาวขาวมะล 105

(ค) ปอแกว เมอนาเมลดมาฉายรงสไดพนธทมความทนทานตอโรคโคนเนา (ง) ถวเหลอง มพนธทนทานตอรา สนม (rust)

7) การใชเทคนครงสเพอการขยายพนธสตวเลยง การศกษาการผลตไข และ นานมของสตว เชน เปด ไก และ โคนม ซงการผลตนานมของโคนมนนมความสมพนธกบตอมไทรอยด ซงเปนตอมทมความเกยวของโดยตรงกบไอโอดน โดยการใช I-131 ซงเปนธาตกมมนตรงสผสมในอาหารสตว การทางานของตอมไทรอยดเพมขนในขณะทโคเรมมนานม แตถาเวลารอนอตราการทางานของตอมไทรอยดจะลดลงมผลสงใหอตราการผลตนานมลดลงดวย

20.7.1.2 การใชกมมนตภาพรงสในดานการแพทย

ในแตละปมผเสยชวตจากโรคมะเรงเปนจานวนมากมาย โดยคาดวาภายใน พ.ศ. 2588 จะมผปวยดวยโรคมะเรงทวโลกไมตากวา 15 ลานคน ในประเทศไทยสถตการเสยชวตของผปวยโรคมะเรงกอยในอนดบตนๆ มาโดยตลอด มะเรงเกดจากการเจรญเตบโตผดปกตของเซลล มโอกาสเกดขนไดกบอวยวะทกสวนของรางกาย และสามารถทาลายเนอเยอใกลเคยงและกระจายไปยงอวยวะอนๆ ได โดยผานไปตาม ตอมนาเหลอง และกระแสเลอด แมวงการแพทยและนกวทยาศาสตรจะคนความาโดยตลอด แตกยงไมอาจระบสาเหตทแทจรงของโรคมะเรงได จะทราบกแตเพยงเหตกระตนใหเกดมะเรง เชน พนธกรรม ความเครยด ภมคมกนบกพรอง พฤตกรรมและสขนสยสวนตว รวมถงสงแวดลอม ดวยเหตทเราไมทราบแนชดถงสาเหตของโรครายน ยงทาใหโรคนทวความนากลวขนไปอก ซงโรคมะเรงบางชนดสามารถรกษาให

151

หายขาดไดถาตรวจพบในระยะเรมตน สวนในกลมทไมสามารถรกษาใหหายขาดได รงสกสามารถชวยบรรเทาความเจบปวด แนนหนาอก หายใจลาบาก รวมทงอาการเลอดออกมากได การรกษาโรคมะเรงนน สามารถทาไดหลายวธดวยกนไมวาจะเปน การผาตด เคมบาบด หรอ ฮอรโมนบาบด แตมอยวธหนงซงมการนาพลงงานนวเคลยรมาเกยวของดวย นนคอรงสรกษา ซงเปนสาขาหนงของเวชศาสตรนวเคลยร การตรวจวนจฉยและรกษามะเรงดวยรงสนน สามารถทาไดทงจากภายนอกการตรวจวนจฉยและรกษามะเรงดวยรงสนน สามารถทาไดทงจากภายนอก การฉดหรอกลนสารเภสชรงส ซงเปนยาทมสวนประกอบของสารกมมนตรงสเขาไปในรางกายของผปวย การตรวจดวยรงสสามารถสบคนการแพรกระจายของมะเรงไปยงอวยวะตาง ๆ ได โดยเฉพาะอยางยง มะเรงทลาม มายงกระดก และมะเรงตอมไทรอยด ปจจบนน มการพฒนาเทคโนโลยในการสบคนมะเรงทมประสทธภาพสง โดยการใชเครองมอทเรยกวา PET (Positron Emission Tomography) ซงเครองมอนใชในการถายภาพอวยวะภายในของผปวยทฉด หรอกลนสารเภสชรงสเขาไป ทาใหแพทยสามารถวเคราะหหาความผดปกตของอวยวะตางๆ รวมถงการแพรกระจายของมะเรงไดอยางแมนยา

รปท 20.68 การใชรงสรกษา

152

ในสวนของการรกษาโรคมะเรงนน มการนาสารกมมนตรงสมาใชรกษาโรคมะเรงไดหลายชนด เชน มะเรงตบ มะเรงตอมหมวกไต มะเรงตอมนาเหลอง แตทสาคญทสดและไดผลดทสด คอ การรกษามะเรงตอมไทรอยด โดยใชรวมกบการผาตด เพอกาจดเซลลมะเรงทหลงเหลออย และปองกนการแพรกระจายของเซลลมะเรง ดงรป 20.68

รปท 20.68 แสดงการใช I123 ตรวจการทางานของตอมไทรอยด ไมเพยงแตโรคมะเรงเทานนทสามารถนารงสมาใชในการตรวจวนจฉยและบาบดรกษาได แตเรายงนารงสไปใชประโยชนในทางการแพทยไดอกมากมาย ไมวาจะเปนการตรวจการทางานของอวยวะและระบบตาง ๆ ของรางกาย เชน

1) TcM99 ตรวจการทางานของระบบอวยวะ เชน ไธรอยด กระดก สมอง ปอด ตบ มาม ไขกระดก และหวใจ

รปท 20.69 ใช TcM99 ตรวจการทางานของระบบอวยวะเชน สมอง ปอด หวใจ ตบ ไต

153

2) ใช Te99 ในการตรวจทางเดนนาด ไต ตอมนาเหลอง

รปท 20.70 รงสแกมมาในคนทถกฉดดวย Te99 ตอนเรมตน (A) และหลงจากนน 6 ชวโมง (B)

3) ใชรงสแกมมาจาก Co60 รกษาโรคมะเรง และการฝงแร Co60 เขาไปใน บรเวณทเปนมะเรงในรางกาย

4) ใชเมด Au198 ในการรกษามะเรงผวหนง และมะเรงทแพรกระจายไปยง อวยวะสวนอน

5) ใชลวด Ta182 ในการรกษามะเรงปากมดลก 6) ใช Tl201 ในการตรวจสภาพการไหลของโลหตเลยงหวใจ ตรวจสภาพ

กลามเนอในหวใจ และตรวจสภาพหวใจเมอทางานเตมท 7) ใช Ga67 เพอตรวจการอกเสบตางๆ ทเปนหนอง เชน ในชองทอง

ตรวจมะเรงในตอมนาเหลอง 8) ใช In111 เพอตดสลากเมดเลอดขาว ตรวจหาแหลงอกเสบของรางกาย

ตรวจการอดตนของไขสนหลง ตรวจมะเรงเตานม รงไข ลาไส 9) ใช I123 เพอตรวจการทางานของตอมไทรอยด ใช I131 ในการตรวจ

วนจฉยรกษาโรคคอพอก และใชรกษามะเรงตอมไทรอยด ในรป labeled compound ใชตรวจวเคราะหการทางานของไต ระบบโลหต

10) ใช Krm81 เพอตรวจการทางานหวใจ 11) Sr90 ชนดแผนรกษาเนอเยอระดบผวหนง

154

12) P32 ชนดเหลวรกษาภาวะทมเมดเลอดแดงมากเกนไปและมะเรงเมดเลอด ชนดเรอรง

13) ใช Aum195 เพอตรวจการไหลเวยนของโลหต 14) ใชรงสโปรตอนการรกษาโรคมะเรงในระดบตนของรางกาย เชน ลกตา 15) ใชรงสนวตรอนรกษาโรคมะเรงและเนองอกในสวนลกของรางกาย

ในสมยกอนมการใชเขมเรเดยม ซงเปนสารกมมนตรงสทใหรงสแกมมาออกมา โดยนาเขมเรเดยม ไปฝงบรเวณทเปนมะเรงของผปวย รงสแกมมา จะไปทาปฏกรยากบเซลล มะเรงทาใหลดการเจรญเตบโตของเซลลมะเรงนนได ในสมยนนจงเรยกวา การฝงแรเพอรกษามะเรง

20.7.1.3 การใชกมมนตภาพรงสในดานอตสาหกรรมอาหารและโรงงานอตสาหกรรม

ประเทศไทยมโรงงานตนแบบซงเปนศนยการฉายรงสอาหาร (food irradiation) และผลตผลการเกษตร ขนอยกบสานกงานปรมาณเพอสนต เปดเปนทางการตงแตป พ.ศ. 2532 ใช

Co60 ทมกมมนภาพรงสตอนเรมตน 44,000 Ci สามารถใหบรการฉายรงสอาหาร และผลตผลการเกษตร ทสาคญ คอ เครองเทศ สมนไพร แหนม เอนไซม ฝรง ผลไม กงแชแขง หอมหวใหญ และกระเทยม เปนตน

รปท 20.71 ใชรงสกาจดจลนทรยบางชนดในอาหาร เชน แบคทเรย เพอใหเกบอาหารไดนานขน

นอกจากนยงใชในอตสาหกรรมการปลอดเชอจลนทรยในผลตภณฑทางการแพทยเชน เวชภณฑ เภสชภณฑ และเนอเยอ มจานวนมากกวา 140 โรงงาน ใน 40 ประเทศ สาหรบ

155

ประเทศไทย มโรงงานอตสาหกรรมปลอดเชอ จานวน 5 แหง การฉายรงสทใชในโรงงานอตสาหกรรมมมากมาย เชน ใชรงสแกมมาหรออเลกตรอนไปชวยเรงการเกดปฏกรยา ในการผลตสารพวกโพลเมอรตางๆ ดงตวอยางตอไปน 1) การฉายรงสไมเนอออน ทถกอดดวยสารโมโนเมอร จะกลายเปนสารโพลเมอรทมความแขงมากขน ใชสาหรบทาพนปารเก หรอทอนไม ทตองการใหมความแขงสง

2) การฉายรงส เพอไปชวยใหโมโนเมอร จบตวกบโพลเมอร เรยกวาการตอกง (grafting) เชน การนานายางธรรมชาต มาฉายรงส เพอทากาวใหเหนยวขน หรอทายางพลาสตก

3) การฉายรงส เพอไปทาใหโพลเมอร จบตวกนเปนรางแหสามมต และเปนผลใหผลตภณฑ มความคงทนตอความรอน เชน ใชผลตฉนวนหมสายไฟฟา ผลตภณฑพลาสตก และโฟม

4) การฉายรงสนายางธรรมชาต ทผสมกบสารเคม เพอใหมการจบตวกน ของโพลเมอรเปนแผนยาง (rubber vulcanization)

สวนการใชวสดกมมนตรงส และเทคนคทางรงส ซงเรยกวา เทคนคนวเคลยร มาใช ประโยชน ในระบบวด และควบคมตางๆ ของโรงงานอตสาหกรรมปจจบนมการใชอยางแพรหลายในประเทศไทย เชน

1. ใชรงสแกมมาวดระดบของของไหล เชนสารเคมตางๆ ในกระบวนการผลต ในโรงงานเสนใยสงเคราะห

2. ใชรงสแกมมาตรวจระดบเศษไมในหมอนงความดนสงในกระบวนการผลต ไมอดแผนเรยบ

3. ควบคมการไหลผานของสวนผสมในการผลตปนซเมนต 4. วดความหนาแนนของนาปนกบเสนใยหน ในกระบวนการผลตกระเบอง

กระดาษ

รปท 20.72 จากซายไปขวาคอ ใชรงสควบคมระดบของเหลว ควบคมการไหล ควบคมความหนา

156

5. วดความหนาแนนในการดดสนแรในทะเล เพอหาปรมาณแรทดดผาน 6. วดและควบคมความหนาแนนของนาโคลนทใชในการขดเจาะอโมงคสง

นาใตดน 7. ใชขจดประจไฟฟาสถตบนแผนฟลม ฟลมภาพยนตร หลอดแกวทใช

บรรจผลตภณฑและเวชภณฑตางๆ 8. ใชแกส Kr85 ตรวจรอยรวซมในการผนกแผนวงจรไฟฟาอเลกทรอนกส

IC, semiconductor watch module ตางๆ 9. ใชรงสเอกซ รงสแกมมา และ neutron radiography ตรวจสอบและ

ถายรอยเชอมโลหะ หาความสกหรอ โดยไมทาลายชนงาน 10. ใชรงสนวตรอนในการสารวจหาแหลงนามนใตดน ความชนใตดน ฯลฯ 11. ใชทาสเรองแสง 12. ใชวดหาปรมาณเถาของลกไนต 13. ควบคมกระบวนการผลตเครองแกวใหมความหนาสมาเสมอ 14. วดหาปรมาณสารตะกวหรอธาตกามะถนในผลตภณฑนามนปโตรเลยม 15. ผลตยางรถยนต ควบคมนาหนกของกระดาษตอหนวยพนทในอตสาหกรรม

ผลตกลองกระดาษ 16. ควบคมความหนาของเนอยางทเคลอบบนแผนผาใบ ในกระบวนการ

รปท 20.73 การควบคมความหนาดวยรงสบตา

157

รปท 20.74 แสดงการใชกมมนตภาพรงสมาใชควบคมความหนาและนาหนกของกระดาษ

17. ใชวเคราะหหาปรมาณแรธาตตางๆ ดวยเทคนคเชงนวเคลยร เพอสารวจ ทรพยากรในประเทศ โดยวธ neutron activation and X-ray fluorescence analysis

18. ใชรงสแกมมาเพอฆาเชอโรคในเครองมอเวชภณฑ เชน กระบวนการ ฉดยาในสายนาเกลอ ถงเลอด ถงมอ เครองมอและอปกรณทใชในการผาตด ฯลฯ

20.7.1.4 การใชกมมนตรงสในการหาอายของวตถโบราณ

องคประกอบทสาคญของสงมชวตทงหลายคอ ธาตคารบอนธาตชนดนสวน ใหญจะอยในรปของ C12 ซงเปนธาตเสถยร และจะม C14 ซงเปนธาตกมมนตรงสอยปรมาณเลกนอย เมอคารบอนรวมตวกบออกซเจนเกดเปนแกสคารบอนไดออกไซดซงพชกจะนาไปเปนวตถดบในการปรงอาหาร สตวอาศยพชเปนอาหารจงไดรบคารบอนจากพชอกตอหนง

C14 ในสงมชวตจะมการสลายไปดวยครงชวต 5568 ± 30 ป ซงถอวานานมาก ดงนนใน ขณะทมชวตอยอตราสวน C14 ตอ C12 ในรางกายของสตวและในพชจะมคาคงตวขนอยกบชนดของสตวหรอพชนนๆ เมอสนชวตลงโอกาสทจะไดรบคารบอนตามปกตกจะหยดลงดวยดงนนอตราสวนของคารบอนทงสองกจะลดลงดวย ทาใหเราสามารถคานวณหาอายของพชและสตวได เชน ในการตรวจวเคราะหโครงกระดกชนหนงพบวาอตราสวน C14 ตอ C12 มอยเพยงรอยละ 50 ของกระดกสตวชนดเดยวกนทเพงเสยชวตใหม ๆ แสดงวาเจาของโครงกระดกนไดตายมาแลวประมาณ 5670 ป

20.7.1.5 การใชกมมนตภาพรงสดานสงแวดลอม

กมมนตภาพรงสมสวนเกยวของกบสงแวดลอมใน 2 ดาน คอในดานการรกษาและพฒนาสภาพของสงแวดลอมใหดขน อกดานหนง คอ การตรวจตราและควบคมปรมาณรงสทม

158

อยในธรรมชาต ในสงแวดลอมใหอยในระดบทปลอดภยตอมวลมนษย และสงมชวตโดยทวไป ประโยชนของกมมนตภาพรงสในดานสงแวดลอม ไดแก

1. การใชรงสแกมมาฆาเชอโรคตางๆ ในนาทงจากชมชนและจากโรงพยาบาล เพอปองกนโรคระบาด

2. การใชรงสแกมมาฆาเชอโรคในขยะและตะกอน แลวนากลบมาทาเปนปย 3. การใชรงสอเลกตรอน ในการกาจดแกสอนตราย )NO,SO( 22 จากปลองควน

โรงงานอตสาหกรรม และการเผาถานหน 4. การใชเทคนคทางนวเคลยรวเคราะหสารพษตางๆ ในดน พช อากาศ นา และ

อาหาร 5. การใชเทคนคสารตดตามทางรงสศกษามลภาวะในสงแวดลอมการวด

ปรมาณรงสในสงแวดลอม เชน ทอยอาศย และสถานททางาน

20.7.1.5 การใชกมมนตภาพรงสในดานการศกษาและวจย (Education and Research)

ความรทไดจากกมมนตภาพรงส นาไปใชในการศกษาวจยทงขนมลฐานและขนประยกตได ดงน

1. แหลงกาเนดรงส เชน เครองปฏกรณนวเคลยรหรอตนกาเนดรงสแบบ ไอโซโทป เครองเรงอนภาค

2. วศวกรรมนวเคลยรเกยวกบการสราง การเดนเครอง และการบารงรกษา ระบบตางๆ ของเครองปฏกรณนวเคลยร

3. ลกษณะกายภาพของรงสชนดตางๆ และอนตรกรยาของรงสตอสสาร 4. ผลของรงสทมตอเซลลของสงมชวต 5. เทคโนโลยนวเคลยรทประยกตทางดานการแพทย ดานการเกษตร

ดานอตสาหกรรม สงแวดลอมและอนๆ

เพอพลกฟนสภาวะทางเศรษฐกจ อนหมายถง ความยากไรของประชาชนในชาต ใหมสถานะทดเทยมกบมตรประเทศ และกาวหนาไปสความอยดกนด อยางจรงจงเทคโนโลยทางพลงงานนวเคลยร จะเปนกลไกทชวยสงเสรมการพฒนาประเทศในดานสาคญ คอ การอตสาหกรรม การเกษตร การแพทยและอนามย การพลงงาน สงแวดลอม และการจดการทรพยากร ดงทไดกลาวมาทงทางตรงและทางออม ปจจบน สานกงานพลงงานปรมาณเพอสนต มโครงการใหมๆ ทกาลงคดคนควาวจย เพอการนาพลงงานนวเคลยรมาใชประโยชนแกมวลมนษยชาตและการถายทอดเทคโนโลย ทางนวเคลยร ตลอดจนใหความรเกยวกบพลงงานนวเคลยรแกประชาชน นสต นกศกษา และนกเรยน เพอใหคนทวไปทกระดบเขาใจถงพลงงานนวเคลยร

159

และประโยชนทไดรบทกรปแบบอยางถกตองและถองแท อนเปนการพฒนาคนใหมความรพนฐาน ซงจะสงผลไปสการพฒนาเศรษฐกจของประเทศไทยตอไปในอนาคตอนใกล

20.7.2 การใชประโยชนจากพลงงานนวเคลยร

แหลงกาเนดของพลงงานนวเคลยรม 2 ประเภทคอ ประเภทแรก ไดจากระเบดนวเคลยรซงพลงงานทไดนมอานาจในการทาลาย

อยางมหาศาล ตวอยางของการนาระเบดนไปใชไดแก การขดคลอง การทหาร เปนตน ประเภททสอง ไดจากการแบงแยกตวในเครองปฏกรณนวเคลยร พลงงานท ไดนมประโยชนในการผลตกระแสไฟฟาจากโรงงานไฟฟาพลงงานนวเคลยรมหลกการใน การผลตกระแสไฟฟากบโรงไฟฟาทใชเครองจกรไอนาทว ๆ ไป แตกตางกนตรงทพลงงานท ใชผลตไอนาเปนพลงงานนวเคลยร

ในโลกนมการผลตไฟฟาจากโรงไฟฟาพลงงานนวเคลยรมากกวา 16% มาตงแตป ค.ศ. 1960 การผลตไฟฟาดวยพลงงานนวเคลยรในปจจบน สวนใหญใชเครองปฏกรณนวเคลยรเพยง 2 แบบ ซงพฒนาขนมาใชตงแตป ค.ศ. 1950

เครองปฏกรณนวเคลยร (nuclear reactor) แบบแบงแยกตว เปนอปกรณทใชในการผลตและควบคมการปลดปลอยพลงงานนวเคลยรทเกดจากการแบงแยกตวของธาตกมมนตรงสในเครองปฏกรณนวเคลยรของโรงไฟฟา การใชพลงงานนวเคลยรในการผลต ไฟฟามหลกการคลายกนในเครองปฏกรณเกอบทกแบบ โดยพลงงานนวเคลยรทปลดปลอยออกมาจากการแบงแยกตวอยางตอเนองของเชอเพลงนวเคลยรซงใหความรอนกบแกสหรอนาเพอทาใหเกดไอนา จากนนจงใชไอนาไปขบกงหนไอนาของเครองกาเนดไฟฟาใหหมนและใหไฟฟาออกมาในลกษณะเดยวกบโรงไฟฟาทใชเชอเพลงฟอสซล (ในเครองปฏกรณนวเคลยรวจย จะใชประโยชนจากนวตรอนทเกดขนบรเวณแกนเครองปฏกรณ สวนเครองปฏกรณในเรอดานาหรอเรอเดนสมทร จะใชไอนาขบใหใบพดของเรอหมน)

องคประกอบทสาคญของเครองปฏกรณนวเคลยรประกอบดวย

160

รปท 20.76 แสดงองคประกอบของโรงไฟฟาพลงงานนวเคลยร

1. เชอเพลงนวเคลยร (nuclear fuel) เปนทอโลหะซงภายในบรรจเชอเพลงเมดยเรเนยมไดออกไซด )UO( 2 ซงทาจากโลหะผสมระหวางเซอรโคเนยมกบโลหะอนๆ ไดแก เหลก นเกล โครเมยม และดบก มความแขงแกรงไมเกดสนมและทนความรอนไดสง เชอเพลงยเรเนยมซงสวนใหญอยในรปสารประกอบยเรเนยมไดออกไซดมลกษณะเปนทรงกระบอกเลกๆ ขนาดเสนผานศนยกลางประมาณ 1 cm ยาวประมาณ 1 cm บรรจเรยงลงไปในทอโลหะซงเรยกวา แทงเชอเพลง (fuel rod) มความยาวประมาณ 4 m กลมของแทงเชอเพลงถกตรงดวยตะแกรงโลหะยดแทงเชอเพลง (fuel assembly) จดเรยงใหอยเปนมดความยาวเทาๆ กน โดยหวและทายอยในรปสเหลยมจตรสขนาด 15 x 15 ถง 25 x 25 2cm ดงนนแตละมดของเชอเพลง จะประกอบดวยแทงเชอเพลงประมาณ 100 ถง 400 แทง โดยเชอเพลงนวเคลยรจะมนาหนกประมาณ 700 kg

161

รปท 20.77 แสดงองคประกอบของเชอเพลงนวเคลยร

2. มอเดอเรเตอร (Moderator) ทาหนาทลดความเรวของนวตรอนทเกดจากปฏกรยาลกโซของการแบงแยกนวเคลยส ในเครองปฏกรณทวไปมอเดอเรเตอรหรอสารหนวงนวตรอนกบตวทาใหเยนมกจะเปนสารชนดเดยวกนคอ ใชนาธรรมดาเปนมอเดอเรเตอรทไมดนก เชอเพลงนวเคลยรทใชนาเปนมอเดอเรเตอรจงตองทาใหมปรมาณยเรเนยมสงกวาธรรมชาต คอ ประมาณ 2–5 % (ตามธรรมชาต 0.7%) ขณะทนามวลหนก (heavy water) จะมความสามารถในการลดพลงงานนวตรอนใหพอเหมาะกบการเกดปฏกรยาการแบงแยกตวตอเนองดกวามาก จงสามารถใชเชอเพลงทมความเขมขนตามธรรมชาตได แตนามวลหนกมราคาสงกวานาธรรมดามากเชนกน สวนแกรไฟตซงเปนของแขงมความสามารถลดพลงงานของนวตรอนไดดกวานา แตผลกระทบอนเกดจากรงสยงไมแนชด

3. ตวทาใหเยน (Coolant) ทาหนาทพาความรอนทเกดจากปฏกรยาการแบงแยกตวไปผลตไอนาเพอผลตไฟฟา ตวทาใหเยนซงนยมใชกนคอ นา ปฏกรณบางชนดทใชนามวลหนกเปนมอเดอเรเตอรจะใชนามวลหนกเปนตวพาความรอนดวย นอกจากนโลหะเหลวบางชนด เชน โปแตสเซยม และโซเดยม หรอกาซคารบอนไดออกไซดกเปนตวทาใหเยนทดดวย ตวทา

162

ใหเยนทกชนดจะทาหนาทสงผานความรอน โดยเกดการแลกเปลยนความรอนกบนาในวงจรผลตไอนาอกตอหนง ยกเวนกรณทใชนาเปนตวทาใหเยนอาจจะใชนาจากปฏกรณนวเคลยรไปผลตไอนาโดยตรง คลายกบการผลตไอนาจากการใชเชอเพลงฟอสซลทวไป

4. แทงควบคม (Control Rod) ทาหนาทควบคมการเกดปฏกรยาการแบงแยกตวใหอยในระดบทตองการ โดยการดดกลนนวตรอนทจะทาปฏกรยาใหอยในปรมาณทไมมากเกนไปแทงควบคมประกอบดวยสารทมความสามารถจบยดนวตรอนเขามารวมโดยไมเกดปฏกรยาใดๆ และตองมประสทธภาพในการจบยดนวตรอนไดดดวย ซงไดแก โบรอน แคดเมยม ฮาลฟเนยม เงน และอนเดยม อยางใดอยางหนงหรอจะใชเปนโลหะผสมแลวแตลกษณะเฉพาะของเครองปฏกรณ

5. อาคารเครองปฏกรณ (Reactor Building or Containment) เปนโครงสรางทครอบเครองปฏกรณเอาไว ทาหนาทปองกนอนตรายจากภายนอกทจะเขามาทาลายเครองปฏกรณและปองกนไมใหรงสแพรออกสสงแวดลอมภายนอกในกรณทเกดอบตเหตขนภายใน โดยทวไปจะมโครงสรางทแขงแกรง คงทนมากกวาอาคารธรรมดาหลายเทา เชน เปนคอนกรตหรอเหลกหนาเปนเมตร

6. ถงความดน (Pressure vessel or pressure tubes) เปนถงเหลกกลาใชสาหรบบรรจแกนเครองปฏกรณ และมอเดอเรเตอรกบตวทาใหเยน แตบางแบบอาจจะมทอเปนชดบรรจแทงเชอเพลง โดยมตวทาใหเยนกบมอเดอเรเตอรไหลผาน

7. เครองกาเนดไอนา (Steam generator) เปนสวนหนงของระบบหลอเยน โดยรบความรอนจากแกนเครองปฏกรณมาผลตไอนา เพอใชในการหมนกงหนของเครองกาเนดไฟฟา

เครองปฏกรณนวเคลยรทนยมใชกนแบงเปน 3 ประเภท คอ 1. เครองปฏกรณนวเคลยรแบบใชนาความดนสง (Pressurised Water Reactor : PWR) เครองปฏกรณแบบนมการใชงานมากทสด โดยใชในการผลตไฟฟามากกวา 230

เครอง และใชในขบเคลอนเรอรบอกหลายรอยเครอง ในตอนแรกเปนการออกแบบสาหรบใชในเรอดานา โดยใชนาธรรมดาเปนมอเดอเรเตอรและตวทาใหเยน จดเดนของเครองปฏกรณแบบนคอ การมระบบระบายความรอนความดนสง ไหลผานแกนเครองปฏกรณเปนวงจรแรก และมเครองแลกเปลยนความรอน (heat exchange) เปนวงจรทสองmesohkmujผลตไอนาเพอใชขบ กงหนของเครองกาเนดไฟฟา

163

รปท 20.78 เครองปฏกรณนวเคลยรแบบใชนาความดนสง PWR

PWR ใชแทงเชอเพลงประมาณ 200–300 แทงตอหนงมด จดเรยงในแนวตงอยภายในแกนของเครองปฏกรณ สาหรบเครองปฏกรณขนาดใหญอาจจะมมดเชอเพลง 150–250 มด โดยใชยเรเนยม 80–100 ตน นาในแกนเครองปฏกรณจะมอณหภมประมาณ C325o จงตองทาใหอยภายใตความดนประมาณ 150 เทาของความดนบรรยากาศจงจะไมเดอด โดยรกษาความดนดวยไอของ pressuriser ระบบระบายความรอนวงจรแรกทาหนาทเปนมอเดอเรเตอรดวย ถากลายเปนไอจะทาใหเกดปฏกรยาการแบงแยกตวลดลง ผลสะทอนทางลบนจงทาใหหนาทเปนระบบความปลอดภยอยางหนงของเครองปฏกรณ โดยมการปลอยโบรอนเขาไปในระบบระบายความรอนของวงจรแรกซงเปนระบบปด การทางานของเครองปฏกรณในระบบทสองเปนระบบทมความดนตากวาจงทาใหนาเดอดและทาใหสวนแลกเปลยนความรอนนเปนสวนผลตไอนา (steam generator) ไอนาจะไปขบกงหนไอนาเพอหมนเครองกาเนดไฟฟาทาหนาทผลตไฟฟา หลงจากนน จะถกควบแนนกลายเปนนาเพอสงกลบเขาสวนแลกเปลยนความรอนในระบบแรก

164

2. เครองปฏกรณนวเคลยรแบบนาเดอด (Boiling Water Reactor : BWR)

รปท 20.79 เครองปฏกรณนวเคลยรแบบนาเดอด BWR

BWR มการออกแบบทคลายกบ PWR ในหลายจด ตางกนทระบบหลอเยนซงมเพยงระบบเดยว ซงใชนาทมความดนตากวา โดยมความดนประมาณ 75 เทาของความดนบรรยากาศ ทาใหมสภาพเปนนาเดอดทมอณหภมประมาณ 285oC เมอเคลอนทผานแกนของเครองปฏกรณ ขณะทเดนเครองอยเครองปฏกรณแบบนจะมนาอยในสภาวะของไอนา อยเหนอแกนของเครองปฏกรณ ประมาณ 12–15 % เนองจากการหนวงนวตรอนของไอนานอยกวานา จงทาให BWR มประสทธภาพตากวา PWR เมอไอนาผาน drier plates ทดานบนของแกนของเครองปฏกรณ ซงทาหนาทแยกไอนาแลวสงไปทกงหนโดยตรง ทาใหกงหนเปนสวนหนงของระบบของเครองปฏกรณดวยเนองจากนาทอยรอบแกนของเครองปฏกรณมการปนเปอนสารกมมนตรงสอย ดงนนบรเวณกงหนจงตองมระบบปองกนรงสและตองมการรกษาความปลอดภยทางรงส ขณะทเจาหนาททาการบารงรกษา เครองปฏกรณแบบ BWR มการออกแบบทซบซอนนอยกวาจงมตนทนทตากวา สารกมมนตรงสในนา สวนใหญจะมอายสนมาก และสวนใหญเปน N–16 ซงมครงชวต 7 s จงสามารถเขาไปในหองของกงหนไดในเวลาไมนานหลงจากทดบเครองปฏกรณภายในแกนของเครองปฏกรณของ BWR มมดเชอเพลง (fuel assembly) 750 มด แตละมดมแทงเชอเพลง 90–100 แทง ซงใชยเรเนยมประมาณ 140 ตน ระบบควบคมระบบทสอง เปนการควบคมการไหลของนาผานแกนของเครองปฏกรณ นาทไหลผานนอยลงจะทาใหเกดการแบงแยกนวเคลสลดลง เนองจากไอนามการหนวงนวตรอนนอยกวา

165

3. เครองปฏกรณแบบใชนามวลหนก (Pressurised Heavy Water Reactor : PHWR or CANDU)

รปท 20.80 เครองปฏกรณแบบใชนามวลหนก (PHWR or CANDU)

เครองปฏกรณแบบ CANDU มการออกแบบและพฒนาในแคนาดา มาตงแตป พ.ศ. 2493 โดยใชยเรเนยมออกไซดธรรมชาต ซงม U235 ประมาณ 0.7% เปนเชอเพลงจงตองใชมอเดอเรเตอรทมประสทธภาพมากกวา โดยเครองปฏกรณแบบนใชนามวลหนก หรอ D2O ทาใหเครองปฏกรณแบบ CANDU มตนทนลดลง เนองจากมการ enrich ทมอเดอเรเตอรไมใชทเชอเพลง

มอเดอเรเตอรบรรจอยภายในถงขนาดใหญ เรยกวา calandria ซงมทอความดน วางอยในแนวนอนหลายรอยทอสาหรบบรรจเชอเพลง โดยมระบบหลอเยนระบบแรกเปนนามวลหนกทมความดนสง ะระบายความรอนออกไป ทาใหมอณหภมประมาณ 290oC ระบบหลอเยนระบบแรกจะถายเทความรอน ทาใหเกดไอนาไปหมนกงหนไอนาในระบบหลอเยนระบบทสองคลายกบ PWR การออกแบบของทอความดนทแยกจากกนกบระบบหลอเยน ทาใหสามารถเปลยนแทงเชอเพลงไดโดยไมตองดบเครองปฏกรณ

มดเชอเพลง (fuel assembly) ของ CANDU ประกอบดวยแทงเชอเพลงความยาวครงเมตร จานวน 37 แทง โดยเปน ceramic fuel pellet อยภายใน zircaloy tube และมโครงสราง

166

ของ fuel channel รองรบทสวนปลายแตละดานของชดมดเชอเพลงทก 12 มด แทงควบคมจะถกสงเขาไปใน calandria ในแนวดง โดยมระบบดบเครองระบบทสอง ทมการเตม gadolinium ลงไปในมอเดอเรเตอร ระบบหมนเวยนของมอเดอเรเตอรซงใชนามวลหนกไหลผานชองของ calandria จะทาใหมความรอนสงขนเชนกน

เครองปฏกรณนวเคลยร แบงออกไดหลายรนอยางชดเจน คอ เครองปฏกรณรนท 1 พฒนาขนในชวงป ค.ศ.1950–60 โดยยงมบางเครองทยง

เดนเครองอยในปจจบน เครองปฏกรณรนนเกอบทงหมดใชเชอเพลงเปนยเรเนยมธรรมชาต และใชแกรไฟตเปนมอเดอเรเตอร

เครองปฏกรณรนท 2 เปนเครองปฏกรณทแสดงถงยคการขยายตวทางนวเคลยรของสหรฐอเมรกา และสวนใหญยงเดนเครองอยในปจจบน เชอเพลงทใชสวนมากเปน enriched uranium โดยใชนาเปนตวทาใหเยนและมอเดอเรเตอร

เครองปฏกรณรนท 3 เปนเครองปฏกรณแบบกาวหนา โดย 3 เครองแรกอยในญปน สวนของประเทศอนยงอยระหวางการกอสราง หรอรอการเดนเครอง มการพฒนามาจากเครองปฏกรณรนท 2 โดยเพมระบบความปลอดภยใหสงขน

เครองปฏกรณรนท 4 ยงอยในระยะของการออกแบบ และยงไมมการเดนเครอง จนกวาจะถงป ค.ศ. 2020 หรอชากวานน โดยจะหยดการใชเชอเพลงใหม แตจะนา actinide ทมอายยาวนานจากเชอเพลงนวเคลยรใชแลวกลบมาใช ซงจะทาให fission product จะมแตเพยงกากนวเคลยรรงสสง (high-level waste) ทมอายสน เครองปฏกรณแบบนสวนใหญเปนเครองปฏกรณทใชนวตรอนเรว (fast neutron reactors)

การออกแบบเครองปฏกรณรนท 3 หรอแบบกาวหนา อกกวาโหลยงอยในระยะของการพฒนา บางเครองพฒนาการออกแบบมาจาก PWR, BWR และ CANDU บางแบบกแหวกแนวออกไป เครองปฏกรณชนด Advanced Boiling Water Reactor แบบเดมมการใชงานอยในปจจบน 2 เครอง บางสวนกาลงกอสราง การออกแบบขนใหมทแหวกแนวและรจกกนด คอแบบ Pebble Bed Modular Reactor ซงใชฮเลยมทมอณหภมสงมากเปนสารหลอเยน และใชขบกงหนของเครองผลตไฟฟา

มการพจารณาทจะหยดการใชเชอเพลง แตจะหมนเวยน plutonium จากเครองปฏกรณรนท 1–3 กลบมาใช โดยคาดวาเครองปฏกรณรนท 4 จะสามารถนา actinide กลบมาใชไดเตมรปแบบ

167

รปท 20.78 ววฒนการของพลงงานนวเคลยร

กลาวโดยสรปวา เครองปฏกรณนวเคลยรมวธการนาความรอนมาใชไมแตกตางจากเครองใหกาเนดความรอนประเภทอน แตตองมความระมดระวงในเรองการปองกนรงสในทกขนตอนสงกวาเทานน เครองปฏกรณนวเคลยรมหลายชนดดงตวอยาง

168

ตารางท 20.9 แสดงเครองปฏกรณนวเคลยร ทมการใชงานเชงพาณชย

ชนดของเครองปฏกรณ

ประเทศ จานวน กาลง (GWe)

เชอเพลง ตวทาใหเยน

มอเดอเรเตอร

Pressurised Water Reactor (PWR)

US, France, Japan, Russia

268 249 enriched UO2 นา นา

Boiling Water Reactor (BWR)

US, Japan, Sweden

94 85 enriched UO2 นา นา

Gas-cooled Reactor (Magnox & AGR)

UK 23 12 natural U (metal), enriched UO2

CO2 แกรไฟต

Pressurised Heavy Water Reactor

'CANDU' (PHWR)

Canada 40 22 natural UO2 นามวลหนก

นามวลหนก

Light Water Graphite Reactor

(RBMK)

Russia 12 12 enriched UO2 นา แกรไฟต

Fast Neutron Reactor (FBR)

Japan, France, Russia

4 1 PuO2 and UO2

โซเดยมเหลว

ไมม

รวม 441 381 GWe = กาลงผลตไฟฟา ในหนวย 1000 megawatts. Source: Nuclear Engineering International Handbook 2005

169

20.8 กมมนตภาพรงสในธรรมชาต อนตรายจากกมมนตภาพรงส และการปองกน

กมมนตภาพรงสเปนพลงงานรปหนงซงกระทบกบวตถหรอสงทมชวตยอมกอใหเกดผลกระทบขนได ซงขนอยกบปจจยหลายอยาง คอ ชนดของรงส พลงงานรงสปรมาณรงส และชนดของอวยวะทกมมนตภาพรงสตกกระทบ รงสประเภทกอไอออน (ionizing radiation) นน มผลตอสงมชวตโดยทาใหอะตอม/โมเลกลภายในเซลล และระบบการทางานของเซลลเปลยนแปลงไป และเกดอาการผดปกตในรางกายขนได ไดมการศกษาผลกระทบจากรงสจากกรณทมการทงระเบดปรมาณ เมอครงสงครามโลกครงท 2 และจากกรณการปฏบตงานเกยวของกบพลงงานนวเคลยร กมมนตภาพงส และวสดกมมนตรงส ตลอดชวงเวลา 100 ปทผานมา ไดสรปผลคาความเสยงและอนตรายของรงสตอมนษยไดดงน

ตารางท 19.10 คาความเสยงและอนตรายของรงสทมตอมนษยชาต

การไดรบปรมาณรงส 10,000 mSv ในระยะเวลาสนๆ

กอใหเกดความเจบปวยและถงตายไดภายใน 2-3 สปดาห

การไดรบปรมาณรงส 1,000 mSv ในระยะเวลาสนๆ

กอใหเกดการเจบปวย เชนอาเจยน แตไมถงตายและอนาคตอาจเกดมะเรงได

การไดรบปรมาณรงส 20 mSv/y เปนเกณฑปลอดภยสาหรบผปฏบตงานทางรงส

การไดรบปรมาณรงส 13 mSv/y เปนเกณฑทอนญาตใหทางานไดสาหรบคนงาน ในเหมองแรยเรเนยม

การไดรบปรมาณรงส 2 mSv/y เปนระดบรงสปกตในธรรมชาต

การไดรบปรมาณรงส 0.05 mSv/y เปนเกณฑกาหนดระดบรงส ณ รวรอบโรงไฟฟานวเคลยรขณะเดนเครองปฏกรณฯ

170

20.8.1 กมมนตภาพรงสในธรรมชาต

ตามปกตมนษยไดรบรงสจากแหลงกาเนดรงสจากธรรมชาต มอย 2 แหลงใหญๆ คอ

20.8.1.1 รงสคอสมก (Cosmic Rays) เปนรงสทมาจากอวกาศนอกโลก รงสคอสมกสวนใหญจะถกชนบรรยากาศเบองบนของโลกกรองไว สวนทเหลอจะทะลผานลงมายงพนผวโลกในระดบพนดน ปรมาณรงสภายนอกรางกาย (external exposure) ทประชาชนไดรบจากรงสคอสมกจะคอนขางคงทไมวาจะอยททวปใด กลาวคอมคาประมาณ 30 นาโนเกรยตอชวโมง แตระดบปรมาณรงสนจะเพมขนอยางมาก หากอยในพนททอยสงจากระดบนาทะเล โดยจะเพมสงขนถงสองเทาทระดบ 1500 m เหนอระดบนาทะเล สาหรบผทเดนทางโดยเครองบนไอพน จะมโอกาสไดรบปรมาณรงสในอตรา 1.35–9 h/Svµ และสาหรบผทอาศยอยในพนทบางแหงทอยสงกวาระดบนาทะเลมาก เชนทนครเมกซโก และเตหะราน จะไดรบปรมาณรงสสงกวาปกต ประมาณ 2–3 เทา นอกจากน รงสคอสมกยงกอใหเกดสารกมมนตรงสทสาคญอก 4 ชนด คอ H3 C14 Be7 และ Na22 ซงเขาสรางกาย และมผลตออวยวะตางๆ โดยคดเปนปรมาณรงสในรอบปประมาณ 0.01 Svµ สาหรบ H3 , 12 Svµ สาหรบ C14 , 3 Svµ สาหรบ Be7 และ 0.2 Svµ สาหรบ Na22

20.8.1.2 แหลงกาเนดรงสจากพนดน (Terrestrial Sources of Radiation)

แหลงกาเนดรงสจากพนดนประกอบดวยสารกมมนตรงสทมครงชวตยาวมาก สารพวกนมอยตงแตกาเนดโลก เชน K40 มครงชวต ,y10x28.1 9 Rb87 มครงชวต

,y10x7.4 10 U238 มครงชวต ,y10x47.4 9 และ Th232 มครงชวต y10x41.1 10 โดยปรมาณรงสทคนไดรบจากธรรมชาตไมสามารถหลกเลยงไดมคา ประมาณ 2.4 mSv/y นอกจากน ลกษณะการดาเนนชวต รวมทงการใชประโยชนจากทรพยากรบางอยางกอาจเปนสาเหตใหไดรบรงสทเกนจากคาปกตนได เชน วสดกอสรางบางชนดอาจจะมสารกมมนตรงสปนอยตามธรรมชาตในปรมาณคอนขางสง เชน ม K40 Ra226 หรอ Th232 ทาใหผทอยอาศยไดรบรงสจากภายนอก นอกจากน Ra226 ยงทาใหเกดแกส Rn222 ซงหากการระบายอากาศภายในอาคารไมดพอ จะทาใหผอยอาศยไดรบรงสจากแกสเรดอนทเขาสรางกายโดยการหายใจ โดยเฉลยแลวปรมาณรงสจากพนดนและทอยอาศยทเราไดรบจากธรรมชาตตอปเทากบ 410 Svµ

171

แหลงกาเนดรงสทมนษยสรางขน (Man–Made Sources of Radiation)

ตงแตสงครามโลกครงทสองเปนตนมา คนเรมรจกสารกมมนตรงส โดยชนตนคอ สารกมมนตรงสทเปนผลผลตของการแบงแยกนวเคลยส ตอมาเมอมการนาสารกมมนตรงสมาใชในทางสนต จงมการผลตสารกมมนตรงสชนดอนๆ ขน นอกจากนยงมเครองกาเนดรงส อาทเครองเอกซเรยและเครองเรงอนภาคดวย ดงนนอาจจะแบงทมาของแหลงกาเนดรงสทมนษยสรางขนได เชน แหลงกาเนดรงสทใชในทางการแพทย ไดนาเอาสารกมมนตรงสมาใชเปนจานวนมากทงดานการตรวจวนจฉยและการรกษา แหลงกาเนดรงสทใชในทางอตสาหกรรม

ตารางท 19.13 การไดรบรงสของมนษยจากรงสทมในธรรมชาตและจากสารกมมนตรงสท

ประดษฐขน

จากธรรมชาต รงสคอสมก 0.39 mSv/y

พนดน (ยเรเนยม/ทอเรยม/โพแทสเซยม) 0.46 mSv/y

แกสเรดอน 1.30 mSv/y

อาหารและเครองดม 0.23 mSv/y

จากตนกาเนดรงสทมนษยประดษฐขน รงสทใชในทางการแพทย 0.30 mSv/y

รงสจากฝนกมมนตรงส 0.006 mSv/y

รงสจากการเดนเครองโรงไฟฟานวเคลยร 0.008 mSv/y

รงสจากสนคาอปโภค 0.0005 mSv/y

รงสจากกรณอนๆ 0.001 mSv/y

172

มนษยจะหลกเลยงการถกรงสทมอยแลวตามธรรมชาตไมได ในขณะทรางกายของมนษยเรานนมไอโซโทปรงสปนอยดวยหลายชนด ดงตารางท 19.14 ตารางท 19.14 ปรมาณของไอโซโทปรงสทมในรางกายของมนษย

ไอโซโทปรงส % ในรางกายโดยนาหนก

K40 0.2

Rb87 0.0017

Ra226 1.4 x 10-13

La138 นอยกวา 7 x 10-5

V50 นอยกวา 1.4 x 10-7

U238 3 x 10-8

ตารางท 19.15 ขดจากดในการรบรงสในหนงปของประชาชนและผปฏบตงานดานรงส

ขดจากดในการรบรงส พ.ร.บ.พลงงานปรมาณเพอสนต

พ.ศ. 2504 ขอเสนอใหม ตาม ICRP 60

(ค.ศ. 1990) ผปฏบตงานทางรงส 5,000 mrem/y 2,000 mrem/y

ประชาชนทวไป 500 mrem/y 100 mrem/y

173

รปท 19.82 การไดรบของมนษยจากรงสทมในธรรมชาตและจากสารกมมนตรงสทประดษฐขน

เราไดรบรงสจากธรรมชาตเปนสวนใหญ 67.6 % โดยไดรบจากรงสคอสมก รงสแกมมาจากดนและอาคารทพก อาหาร เครองดม อากาศ การเดนทางโดยเครองบน และไดรบรงสอก 32.4 % จากสารกมมนตรงสทมนษยสรางขน คอจากการทางานอตสาหกรรมนวเคลยร การตรวจรกษา เครองใชอนๆ โดยมรายละเอยดจาแนกไวในรปท 19.82

174

รปท 19.83 การไดรบรงสจากสารกมมนตรงสทมในธรรมชาตและจากทมนษยสรางขน

รงสทแผออกมาจากธาตกมมนตรงสเมอผานสงมชวตใดจะทาใหเกดการเปลยนแปลง ในเซลลของสงมชวต ถาคนเราไดรบรงสเปนปรมาณไมมากนกจะไมเปนอนตรายถงกบเสยชวตแตมโอกาสเปนมะเรงได นอกจากนนรงสยงสามารถทาใหโครโมโซมของเซลล สบพนธเปลยนแปลงไปจากเดมไดถาไดรบรงสมากพอทจะสงผลสบเนองตอไปยงลกหลานไดเชนเดยวกบการกลายพนธ (mutation)

20.8.2 การปองกนอนตรายจากกมมนตภาพรงส

การดาเนนการเพอลดระดบรงสสาหรบผปฏบตงานทางรงสนน อาศยกลยทธ ดงน

(1) เวลา (time) ใชเวลาปฏบตงานใหสนทสด ปรมาณรงสทผไดรบนนขนกบเวลา เชน ถาผปฏบตงานอยในหองทมรงส 2 ชวโมง ยอมไดรบรงสสงเปน 2 เทา ของผทเขาไปอยเพยง 1 ชวโมง เปนตน ดงนนวธปองกนประการแรกคอ อยาเขาใกลสารกมมนตรงสหรอบรเวณทมรงสเปนเวลานานๆ แตถาจาเปนตองเขาไปทางานควรใชเวลาสนทสด

(2) ระยะทาง (distance) รกษาระยะทางใหหางจากตนกาเนดรงสใหมากทสด การอยหางกเทากบอาศยอากาศเปนกาแพงกาบงรงส เชน รงสแอลฟาจะถกกนจนหมดไปดวยอากาศหนาเพยงไมกเซนตเมตร ถอเปนกฏไดวา ความเขมรงสจะแปรผกผนกบระยะหางยกกาลงสอง หรอเขยนเปนสมการคณตศาสตรไดวา

175

222

211 dIdI =

เมอ I = ความเขมรงส d = ระยะหาง หรอกลาวงายๆ ไดวาถาระยะหางเพมขนเทาหนง ปรมาณความเขมรงสจะลดลงเหลอ

หนงในสจากปรมาณเดม (3) เครองกาบงรงส (shielding) จดใหมเครองกาบงรงสใหเหมาะสม รงสมหลายชนดจง

จาเปนตองเลอกเครองกาบงรงสใหเหมาะสม เชน ถาจะกนรงสบตาควรใชแผนไมพลาสตกอะลมเนยม ถาจะกนรงสแกมมา รงสเอกซ ควรใชคอนกรต ตะกว แตถาจะกาบงอนภาคนวตรอนควรใชนาและพาราฟน เปนตน

20.8.3 การปฏบตงานทเกยวของกบกบรงส ตวแปรสาคญททาใหรงสมอนตรายตอสองมชวตไดแก ประจไฟฟา มวล พสย ชนดและความหนาของเครองกาบงรงส ปายรงสและปายสตางๆ ทแสดงวาบรเวณใดมหรอไมมรงส และการทาใหเกดไอออนแพรของรงสชนดตางๆ ตลอดจนกฎเกณฑและขอควรปฏบตตางๆ กอนทจะเขาไปทางานเกยวของกบรงสหรอออกจากหองนน โดยผปฏบตงานเกยวของกบรงสจะตองทาความเขาใจอยางถองแทและปฏบตตามอยางเครงครด เพอใหเกดความปลอดภยสงสดในการปฏบตงาน ขอมลดงกลาวแสดงดวยรปท 19.84–19.93 และตารางท 19.16 – 19.17

รปท 19.84 ความหนาของฝามอและคอนกรตทใชหยดยงรงสชนดตางๆ

176

ตารางท 19.16 ประจ มวล พสย และ การทาใหเกดไอออนแพรตอหนงหนวยระยะทางของรงสชนดตางๆ

ชนด ประจ มวล(u) ionpair/cm พสย(ซม.) แอลฟา +2 4 50,000 8 บตา +1 1/1840 30-300 13

นวตรอน 0 1 ตามาก ยาว แกมมา 0 0 105 ยาวมาก

ตารางท 19.17 การจดแบงบรเวณในการทางานทางรงส การจดสดสวนบรเวณพนททปฏบตงานเกยวกบสารรงส จดจาแนกตามระดบรงส การเปรอะเปอนทางรงสบนพนผวและอากาศ

1.บรเวณไมมรงส

พนทสขาว White zone ไมมรงส ปราศจากการเปรอะเปอนทางรงสบนพนผว

พนทสเขยว Green zone ไมมรงส ไมมการเปรอะเปอนทางรงส เปนบรเวณควบคม เฉพาะผปฏบตงาน การเขาออกบรเวณน ควรสวมเสอคลม ปฏบตการและถงคลมรองเทา มการสารวจระดบรงส เปนครงคราว

2.บรเวณมรงส

พนทสเหลอง Amber zone เปนบรเวณควบคมเฉพาะผปฏบตงาน เนองจากอาจมการเปรอะเปอน ทางรงส ทงบนพนผว และอากาศ ตองม การเปลยนเสอผา สวมถงคลมรองเทา ผทเขาออก บรเวณนตองไดรบอนญาตจากผรบผดชอบ กอนมการตรวจวด ระดบรงสและการเปรอะเปอนทางรงสเปนประจา

177

พนทสแดง Red zone บรเวณทมระดบรงสสง มการเปรอะเปอนทางรงส ตองม การเปลยนเสอผา สวมถงคลม รองเทา และหนากาก มการจากด ระยะเวลา ในการปฏบตงาน เปนบรเวณทตองควบคม อยางเขมงวด เฉพาะผปฏบตงานเทานน ตองมเครองตรวจวด ระดบรงสและการเปรอะเปอนทางรงสในบรเวณน

พนทปฏบตงานทางรงสตองมปายรงสแสดงไว

รปท 19.85 พนทปฏบตงานทางรงตองมปายรงสแสดงไวใหเหนอยางชดเจน