ฟิสิกส์นิวเคลียร์ คืออะไร กัมมันตภาพรังสีถูกค้นพบได้อย่างไร

สรุปเนื้อหา ฟิสิกส์นิวเคลียร์ คืออะไร

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ คือ สาขาวิชาที่ศึกษาองค์ประกอบต่าง ๆ และปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันของนิวเคลียสทั้งหลายของอะตอม การประยุกต์ใช้ฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ทราบกันดีที่สุดคือ การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์และเทคโนโลยีอาวุธนิวเคลียร์ แต่การวิจัยได้ประยุกต์ไปในหลายสาขา เช่น เวชศาสตร์นิวเคลียร์และการสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็ก การปลูกฝังไอออนในวิศวกรรมศาสตร์วัสดุ และการหาอายุจากคาร์บอนกัมมันตรังสีในวิชาภูมิศาสตร์และโบราณคดี อย่างไรก็ตาม สิ่งที่เราต้องรู้จักก่อนในเบื้องต้นคือ นิวเคลียสของอะตอมคืออะไร นิวคลีออนคืออะไร ไอโซโทป และความหมายของปฏิกิริยานิวเคลียร์ รวมไปถึงเรื่องสัญลักษณ์นิวเคลียร์ด้วย ดังนี้

• นิวเคลียสของอะตอม คือ อนุภาคที่อยู่ตรงกลางของอะตอม ประกอบด้วยอนุภาค 2 ชนิดคือ โปรตอน (proton) และนิวตรอน (neutron)
• นิวคลีออน (Nucleon) คือ อนุภาคที่เป็นองค์ประกอบของนิวเคลียส = จํานวนโปรตอน + จํานวนนิวตรอน
• ปฎิกิริยานิวเคลียร์ คือ กระบวนการที่นิวเคลียสเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบหรือระดับพลังงาน ในทุกสมการปฏิกิริยานิวเคลียร์ ผลบวกของเลขอะตอมทั้งก่อนและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากัน ซึ่งแสดงว่าประจุไฟฟ้ารวมมีค่าคงตัว และผลบวกของเลขมวลก่อนและหลังปฏิกิริยาก็จะต้องเท่ากันด้วย ซึ่งแสดงว่า จำนวนนิวคลียสรวมก่อนและหลังปฏิกิริยาจะต้องคงตัว
• สัญลักษณ์ของนิวเคลียร์ (nuclear symbol) หรือที่เรียกว่า นิวไคลด์ (nuclide) ชนิดหนึ่งของธาตุจะใช้จํานวนโปรตอนและนิวตรอนในการระบุชนิดของนิวไคลด์ ดังต่อไปนี้

• ไอโซโทป ( Isotope) นิวเคลียสของธาตุชนิดเดียวกัน ทีมีเลขอะตอม Z เท่ากัน แต่เลขมวล A ต่างกัน โดยไอโซโทปที่ไม่แผ่รังสี เรียกว่า ไอโซโทปเสถียร ส่วนไอโซโทปที่แผ่รังสีได้ เรียกว่า ไอโซโทปกัมมันตรังสี

กัมมันตภาพรังสีถูกค้นพบได้อย่างไร

• ปี ค.ศ. 1896 เบ็กเคอเรล ( Henri Becquerel ) ได้ทำการทดลองการเรืองแสงของสารต่าง ๆ และได้พบว่าสารประกอบของยูเรเนียมสามารถ แผ่รังสีชนิดหนึ่งออกมาได้เองตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมเลย และจากการศึกษาเบื้องต้นของเบ็กเคอเรล เขาได้พบว่า รังสีนี้มีสมบัติบางประการคล้ายรังสีเอกซ์ เช่น สามารถทะลุผ่านวัตถุบางชนิดและทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออนได้
• ปีแอร์ คูรี ( Pierre Curie ) และมารี คูรี ( Maric Curie ) ได้ทำการทดลองกับธาตุอื่น ๆ อีกหลายชนิด และพบว่าธาตุบางชนิดมีการแผ่รังสีเช่นเดียวกับธาตุยูเรเนียม ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องนี้ เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) และธาตุที่มีการแผ่รังสีได้ เองเรียกว่า ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) จากการศึกษารังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีทั่วไป

สมบัติต่าง ๆ ของรังสีทั้ง 3 ชนิด

• รังสีแอลฟา มีส่วนประกอบเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมมีมวลประมาณ 4u มีประจุไฟฟ้า +2e มีพลังงานประมาณ 4-10 MeV รังสีแอลฟาสามารถทำให้สารที่รังสีผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้ดีจึงเสียพลังงานอย่างรวดเร็ว รังสีแอลฟาจึงมีอำนาจทะลุผ่านน้อยมาก กล่าวคือ สามารถวิ่งผ่านอากาศได้ประมาณ 3-5 เซนติเมตร และเมื่อใช้แผ่นกระดาษบาง ๆ กั้น รังสีแอลฟาก็ทะลุผ่านไม่ได้ เนื่องจากรังสีนี้คือนิวเคลียสที่เป็นอนุภาค บางครั้งจึงเรียกรังสีแอลฟาว่า อนุภาคแอลฟา
• รังสีบีตา เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า -1e มีมวลเท่ากับมวลของอิเล็กตรอน รังสีบีตา คือ อิเล็กตรอน (ที่มาจากการสลายของนิวเคลียส ไม่ใช่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส) มีพลังงานตั้งแต่ 0.04-3.2 MeV รังสีบีตาสามารถวิ่งผ่านไปในอากาศได้ประมาณ 1-3 เมตร อำนาจทะลุผ่าน ของรังสีบีตาจึงมากกว่ารังสีแอลฟา บางครั้งเรียกรังสีบีตาว่า อนุภาคบีตา
• รังสีแกมมา เป็นรังสีที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามีสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแกมมามีพลังงานประมาณ ตั้งแต่ 0.04-3.2 MeV สามารถทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียมที่หนาหลายเซนติเมตรได้ จึงมีอำนาจทะลุผ่านมากที่สุดในบรรดารังสีทั้งสามชนิด

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี คือ การที่ธาตุกัมมันตรังสีมีปลดปล่อยกัมมันตภาพรังสีออกมา ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นภายในนิวเคลียส ซึ่งการเปลี่ยนแปลงนี้บางครั้งจะมีธาตุใหม่เกิดขึ้น หรือบางครั้งอาจไม่มีธาตุใหม่เกิดขึ้นก็ได้ ดังนี้

Half Life หรือ เวลาครึ่งชีวิต คืออะไร

เวลาครึ่งชีวิต คือ ช่วงเวลาที่จำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีสลายจนเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนเริ่มต้น

การสลายตัวของนิวเคลียสกับกัมมันตรังสี

สมมติฐานของรัทเธอร์ฟอร์ดและซอดดี เพื่อใช้อธิบายการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสี มีดังนี้

1. ธาตุกัมมันตรังสีจะแตกตัวออกให้อนุภาคแอลฟาหรือบีตาได้สารใหม่ และสารใหม่ที่เกิดขึ้นนี้อาจจะมีการแผ่กัมมันตภาพรังสีต่อไปได้อีก
2. ในการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี เราไม่สามารถจะบอกได้ว่านิวเคลียสใดจะสลายก่อนหรือหลังแต่เราสามารถบอกได้เพียงว่านิวเคลียสทุกตัวมีความน่าจะเป็นที่จะสลายตัวเท่ากันหมดและอัตราการสลายจะขึ้นอยู่กับจํานวนนิวเคลียส (นิวเคลียสที่พร้อมจะสลาย) ในขณะนั้น

พลังงานยึดเหนี่ยว (B.E.) คืออะไร

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

สําหรับการชนระหว่างนิวเคลียสกับนิวเคลียส หรือนิวเคลียสกับอนุภาคนั้นเขียนเป็นปฏิกิริยานิวเคลียสได้ ดังนี้

ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction)

เกิดจากธาตุหนักถูกยิงด้วยนิวตรอน แล้วแตกเป็นธาตุเบา ปฏิกิริยาฟิชชันเป็นปฏิกิริยาแยกตัวของนิวเคลียส โดยมีนิวตรอนเป็นตัววิ่งเข้าชนนิวเคลียสหนักๆ( A > 230 ) เป็นผลทําให้นิวเคลียสที่มีขนาดปานกลาง และมีนิวตรอนที่มีความเร็วสูงเกิดขึ้นประมาณ2-3 ตัว อีกทั้งมีการคายพลังงานออกมาด้วย

ตัวอย่างข้อสอบเรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์

1. ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึงธาตุที่มีสมบัติในการแผ่รังสีได้เอง และรังสีที่แผ่ออกมาจะต้องเป็นรังสีต่อไปนี้เสมอ

ก. รังสีแอลฟา
ข. รังสีบีตา รังสีแกมมา
ค. รังสีแอลฟา รังสีบีตา รังสีแกมมา
ง. เป็นรังสีชนิดใดก็ได้

2. รังสีแอลฟามีอํานาจในการทะลุผ่านน้อยกว่ารังสีชนิดอื่นที่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีเนื่องจากสาเหตุใด

ก. รังสีแอลฟามีพลังงานน้อยกว่ารังสีชนิดอื่น
ข. รังสีแอลฟามีคุณสมบัติในการทําให้สารที่รังสีผ่าน แตกตัวเป็นไอออนได้ดีกว่า
ค. รังสีแอลฟาไม่มีประจุไฟฟ้า
ง. ถูกทั้งข้อ ก และ ข

3. ธาตุ A สลายเป็นธาตุ B โดยปล่อยรังสีบีตาออกมา ธาตุทั้งสองจะมีจํานวนใดเท่ากัน

ก. นิวตรอน
ข. โปรตอน
ค. ผลรวมของนิวตรอนและโปรตอน
ง. ผลต่างของนิวตรอนและโปรตอน

4.สารกัมมันตรังสีชนิดหนึ่งมีค่ากัมมันตภาพ 256 คูรี พบว่าเวลาผ่านไป 6 นาที กัมมันภาพลดลงเหลือ 32 คูรี จงหาครึ่งชีวิตและค่ากัมมันภาพที่หลืออยู่หลังจากเวลาผ่านไปอีก 8 นาที

ก. 2 นาที 2 คูรี
ข. 2 นาที 30 คูรี
ค. 4 นาที 8 คูรี
ง. 4 นาที 24 คูรี

5. ต้องใช้เวลานานเท่าใด ธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตเท่ากับ 30 ปี จึงจะมีปริมาณเหลือเพียงร้อยละ 10 ของของเดิม

ก. 80 ปี
ข. 100 ปี
ค. 120 ปี
ง. 240 ปี