ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และอนุภาคมูลฐาน
Download
1 / 35

... - PowerPoint PPT Presentation


  • 75 Views
  • Uploaded on

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และอนุภาคมูลฐาน . อ. อาทิตย์ ลภิรัตนากูล ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. ฟิสิกส์นิวเคลียร์. การศึกษาโครงสร้างภายในของนิวเคลียสของอะตอม การเปลี่ยนแปลง ตลอดจนสมบัติต่างๆ. Rutherford เป็นคนแรกที่ทดลองให้เห็นว่าอะตอมจะมีนิวเคลียสขนาดเล็กอยู่ใจกลางอะตอม.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' ...' - Thomas


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และอนุภาคมูลฐาน

อ. อาทิตย์ ลภิรัตนากูล

ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่


ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และอนุภาคมูลฐาน

การศึกษาโครงสร้างภายในของนิวเคลียสของอะตอม การเปลี่ยนแปลง ตลอดจนสมบัติต่างๆ

Rutherford เป็นคนแรกที่ทดลองให้เห็นว่าอะตอมจะมีนิวเคลียสขนาดเล็กอยู่ใจกลางอะตอม


เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุลบ จึงต้องมีประจุบวกจำนวนเท่ากันอยู่ในนิวเคลียส ทำให้อะตอมของธาตุใดๆ เป็นกลางทางไฟฟ้า โปรตอน

1932 J. Chadwick

ค้นพบนิวตรอน

จึงทำให้เราเข้าใจองค์ประกอบ

ของนิวเคลียส อะตอมและโครงสร้าง

แต่ยังมีคำถามว่า โปรตอนซึ่งมีประจุบวกสามารถต้านแรงผลักทางไฟฟ้า ไปรวมกันอยู่ในนิวเคลียสรัศมี 10-15 เมตรได้อย่างไร


Binding energy
พลังงานยึดเหนี่ยว จึงต้องมีประจุบวกจำนวนเท่ากันอยู่ในนิวเคลียส ทำให้อะตอมของธาตุใดๆ เป็นกลางทางไฟฟ้า(Binding Energy)

เป็นพลังงานที่ใช้ยึดเหนี่ยวอนุภาคภายในนิวเคลียสให้อยู่รวมกัน

จำเป็นต้องเอาชนะแรงคูลอมบ์ได้

ตามกฎอนุรักษ์มวล : มวลของนิวเคลียส = ผลรวมของมวล p กับ n ทั้งหมด

แต่จากการตรวจสอบ  มวลของนิวเคลียสมีค่าน้อยกว่า

ดังนั้นผลต่างของมวลน่าจะกลายไปเป็นพลังงานยึดเหนี่ยวตาม

และนิยมวัดมวลในหน่วย u โดย

1 u = 1/12ของมวลอะตอมคาร์บอน-12 =1.6604x10-27kg


ไอโซโทป จึงต้องมีประจุบวกจำนวนเท่ากันอยู่ในนิวเคลียส ทำให้อะตอมของธาตุใดๆ เป็นกลางทางไฟฟ้า(Isotope)

ไอโซโทปต่างกัน หมายถึง เลขอะตอมเท่ากัน แต่ เลขมวลต่างกัน

เช่น นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน สัญลักษณ์

นิวเคลียสของดิวเทอเรียม สัญลักษณ์

นิวเคลียสของตริเตรียม สัญลักษณ์

Nuclear notation:


มวลอะตอมของไอโซโทปของธาตุต่างๆมวลอะตอมของไอโซโทปของธาตุต่างๆ


ตัวอย่างมวลอะตอมของไอโซโทปของธาตุต่างๆ

จงคำนวณ (ก) พลังงานยึดเหนี่ยวของ 16O

วิธีทำ

นิวเคลียสของ 16O ประกอบด้วย 8 นิวตรอน, 8 โปรตอน

ดังนั้น

แต่ มวลของ 16O = 15.994915 u

จึงได้ มวลที่หายไป

พลังงานยึดเหนี่ยว

= 127.6 MeV


(มวลอะตอมของไอโซโทปของธาตุต่างๆข) หาพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน ของ 16O

วิธีทำ

พลังงานยึดเหนี่ยวของ 16O = 127.6 MeV

พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน ของ 16O

= 7.98 MeV/nucleons

ปกติแล้ว สำหรับไอโซโทปที่มีเลขมวลมากกว่า 20จะมีค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนโดยเฉลี่ย เท่ากับ 8 MeV

จากการสังเกตการณ์ ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนที่สูงที่สุด มีค่าประมาณ 8.75 MeV ได้แก่ ไอโซโทป ซึ่งถือว่าเป็นนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพมากที่สุด


กัมมันตภาพรังสีมวลอะตอมของไอโซโทปของธาตุต่างๆ(radioactivity) เกิดจากการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของอะตอม

รังสีแอลฟา

รังสีเบตา

รังสีแกมมา

เป็นรังสีที่มีพลังงานสูง => ปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสของอะตอม


ค.ศ. มวลอะตอมของไอโซโทปของธาตุต่างๆ1896 Henri Becquerel ชาวฝรั่งเศส เป็นคนแรกที่ค้นพบรังสีจากนิวเคลียสโดยบังเอิญ จากการเก็บฟิล์มถ่ายรูปไว้ใกล้สารประกอบของยูเรเนียม

เขาได้แยกแยะจากการสังเกตที่รอบคอบว่ารังสีดังกล่าวไม่ใช่รังสีเอ็กซ์ แต่เป็นรังสีที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากสารให้รังสีอย่างไม่หยุดยั้ง

สารกัมมันตรังสีส่วนใหญ่จะมีเลขอะตอมมากกว่า 81 แต่บางตัวเป็นนิวเคลียสของธาตุเบา เช่น , เป็นต้น


  • รังสีแอลฟา หรือ อนุภาคแอลฟา คือนิวเคลียสของฮีเลียม ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัว นิวตรอน 2 ตัว จึงมีประจุบวกเป็น 2 เท่าของค่าประจุอิเล็กตรอน และมีมวลประมาณ 4 เท่าของโปรตอนหรือนิวตรอน มีอำนาจทะลุผ่านต่ำมาก มีความเร็วในระดับ 107เมตรต่อวินาที เมื่อนิวเคลียสปล่อยรังสีแอลฟามา นิวเคลียสนั้นจะมีประจุลดลง 2 หน่วยและมวลลดลง 4 หน่วย เป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่

  • รังสีเบตา หรือ อนุภาคเบตา คืออนุภาคประจุลบเหมือนอิเล็กตรอน มีอำนาจทะลุผ่านสูงกว่ารังสีแอลฟา สามารถเคลื่อนผ่านในอากาศได้ระยะทางเป็นฟุต ความเร็วสูงเกือบเท่าความเร็วแสงเมื่อนิวเคลียสปล่อยรังสีเบตามา เลขอะตอมของนิวเคลียสนั้นจะเพิ่มขึ้น 1 หน่วย แต่เลขมวลไม่เปลี่ยนแปลง

  • รังสีแกมมา เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงมาก ไม่มีประจุไฟฟ้า ความเร็วเท่าแสง


กลไกการเกิดกัมมันตภาพรังสีกลไกการเกิดกัมมันตภาพรังสี

นิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียร สลายตัว

นิวเคลียสของอะตอมที่เสถียรกว่า

รังสีพลังงานสูง


กฎการสลายตัวกลไกการเกิดกัมมันตภาพรังสี

อัตราการสลายตัว (R) (การลดลงของจำนวนนิวเคลียสตามเวลา) จะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับจำนวนนิวเคลียสที่มีอยู่เดิม นั่นคือ ถ้ามีจำนวนนิวเคลียสอยู่มากย่อมมีการสลายตัวมันเองได้มาก ถ้ามีเหลือน้อยก็สลายได้น้อย

ถ้าให้ N คือ จำนวนนิวเคลียสที่ไม่เสถียร ในขณะใดขณะหนึ่ง

----(1)

lคือค่าคงที่ของการสลายตัว มีหน่วยเป็น (วินาที)-1


อินทิเกรตสมการกลไกการเกิดกัมมันตภาพรังสี (1) จะได้ว่า

----(2)

N0คือจำนวนนิวเคลียสเมื่อเวลาเริ่มแรกคือ t=0

ถ้าให้ T1/2เป็นช่วงเวลาที่นิวเคลียสสลายตัวเหลือเพียงครึ่งหนึ่งจากเดิม

----(3)

เรียกระยะเวลา T1/2ว่า “ครึ่งชีวิต” (Half-life)


และจากสมการ กลไกการเกิดกัมมันตภาพรังสี(3)

----(4)

หรือ

นั่นคือ ช่วงเวลาที่นิวเคลียสสลายตัวเหลือครึ่งนึง หรือครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีใดๆ จะแปรผกผันกับค่าคงที่ของการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีนั้น


ตัวอย่างกลไกการเกิดกัมมันตภาพรังสี

จงคำนวณมวลของคาร์บอน-14 ปริมาณ 3.7x1010เบกเคอเรล กำหนดให้ครึ่งชีวิตของคาร์บอน-14 เท่ากับ 5570 ปี

วิธีทำ

ครึ่งชีวิต = 5570ปี = 1.758x1011วินาที

ดังนั้น

(วินาที)-1

ปริมาณกัมมันตภาพ R = 3.7x1010เบกเคอเรล = 3.7x1010(วินาที)-1

จาก

นิวเคลียส

แต่มวลอะตอมของคาร์บอน-14เท่ากับ 14.0077 u

กิโลกรัม


ปฏิกริยานิวเคลียร์กลไกการเกิดกัมมันตภาพรังสี

คือปฏิกริยาระหว่างอนุภาคกับนิวเคลียส เช่น ยิงอนุภาค a ใส่เข้าไปในนิวเคลียส X จะทำให้เกิดการแตกออกเป็นนิวเคลียส Y และอนุภาค b

หรือเขียนแบบกะทัดรัดเป็น

ตามปกติ ปฏิกริยานิวเคลียร์จะมีทั้งการคายความร้อน (Exothermal Reaction)และการดูดกลืนความร้อน (Endothermic Reaction)

ความร้อน Q ที่เกิดขึ้น จะหาได้จาก


ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิชชันปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิชชัน(Fission)

คือการที่นิวเคลียสธาตุหนักรับนิวตรอนเข้าไปแล้วเกิดการแตกออกเป็นสองส่วน

เช่น เมื่อยิงนิวตรอนพลังงานต่ำเข้าชนนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 จะได้


ทั้ง ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิชชัน140Xe และ94Sr ต่างก็สามารถสลายตัวต่ออีก ดังนี้

และ

ดังนั้น สามารถคำนวณหาพลังงานความร้อนที่ปลดปล่อยจากปฏิกริยาดังกล่าวได้จาก

Dm = มวลหลังเกิดปฏิกริยา - มวลก่อนเกิดปฏิกริยา

จะได้

ซึ่งเป็นพลังงานความร้อนที่มีค่าสูงมาก


นิวตรอนที่เป็นผลิตผลจากปฏิกริยา ยังสามารถชนกับ 235U ได้อีก เกิดเป็น “ปฏิกริยาลูกโซ่” (Chain Reaction)


ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชันปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน(Fusion)

คือการที่นิวเคลียสธาตุเบามาหลอมรวมกันแล้วกลายเป็นนิวเคลียสธาตุหนัก เช่น ปฏิกริยาหลอมรวมระหว่างดิวเทอเรียม ซึ่งเป็นดังนี้


อนุภาคมูลฐานปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

หลังจาก Thomson (1897)ค้นพบอิเล็กตรอน และ Chadwick (1932) ค้นพบนิวตรอน ทำให้มนุษย์ทราบว่าอะตอมไม่ใช่อนุภาคมูลฐานอีก

  • 1927Dirac เสนอสมการเชิงสัมพัทธภาพแสดงความสัมพันธ์ระหว่างที่ส่งผลให้ต้องมีอนุภาคคู่อนุภาคปกติเรียกว่าปฏิยานุภาค (antiparticle) ที่มีสมบัติเหมือนกันกับอนุภาคปกติทุกประการยกเว้นประจุ

  • 1931Anderson ค้นพบ positron คู่อนุภาคของอิเล็กตรอนนำไปสู่ข้อสรุปทั่วไปว่าอนุภาคทุกชนิดจะมีปฏิยานุภาค (antiparticle) เสมอ


  • Pair productionปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน


    Pair annihilationปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน


    นิวตริโนปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

    เป็นอนุภาคที่นักวิทยาศาสตร์สมมติขึ้นเพื่ออธิบายการไม่คงตัวของพลังงานในปฏิกริยาปลดปล่อยรังสีเบตา

    หลักการอนุรักษ์พลังงานทำให้ต้องเพิ่มอนุภาคอีกชนิดเข้าไป

    โดยต้องเป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล ไม่มีประจุ แต่มีพลังงาน โมเมนตัม และสปิน


    ในปี ค.ศ. ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน1956 มีการทดลองให้เห็นว่า นิวตริโนมีอยู่จริง โดยการศึกษาปฏิกริยานิวเคลียร์ในเตาปฏิกรณ์ นิวตริโนจึงไม่ใช่อนุภาคสมมติอีกต่อไป

    ปัจจุบัน ทราบว่านิวตริโนมีอยู่ 3 ชนิด

    • อิเล็กตรอนนิวตริโน (electron neutrino)

    • เทานิวตริโน (tau neutrino)

    • มิวออนนิวตริโน (muon neutrino)

    โดยพบอิเล็กตรอนนิวตริโนมากที่สุด จากปฏิกริยานิวเคลียร์ภายในดวงอาทิตย์

    เนื่องจากอนุภาคนิวตริโนถือว่า ไม่มีมวล ไม่มีประจุ (ปัจจุบันเชื่อว่ามีมวลน้อยมาก) จึงทำให้มีสมบัติทะลุผ่านสสารได้อิสระ โดยเฉลี่ยสามารถทะลุผ่านเหล็กหนาถึง 130 ปีแสง ได้ก่อนถูกดูดกลืน


    • ตามทฤษฎี ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชันStandard model สามารถแบ่งอนุภาคมูลฐานได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ

    • เฟอร์มิออน (Fermion) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ประกอบเป็นสสาร มีสปินเป็น half-integer แบ่งออกเป็น ควากซ์ และ เลปตอน

    • โบซอน (Boson) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่ได้ประกอบเป็นสสาร แต่ทำหน้าที่เป็น สื่อนำแรง (force carriers)


    สมบัติของควากซ์ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน


    ad