เคมีนิวเคลียร์

1. เคมีนิวเคลียร์

2. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ 1. ธาตุอาจเปลี่ยนจากธาตุหนึ่งไปเป็นอีกธาตุหนึ่ง 2. เกี่ยวข้องกับอนุภาคภายในนิวเคลียส 3. มีการดูดหรือคายพลังงานจำนวนมาก 4. อัตราของปฏิกิริยาไม่ขึ้นอยู่กับปัจจัยภายนอก ปฏิกิริยาธรรมดา 1. ไม่เกิดธาตุใหม่ 2. ปกติจะเกี่ยวข้องเพียง e- ชั้นนอกสุด 3. มีการดูดหรือคายพลังงานปริมาณเล็กน้อย 4. อัตราของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับปัจจัยเช่น ความเข้มข้น อุณหภูมิ ตัวเร่งปฏิกิริยา และความดัน เคมีนิวเคลียร์

3. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ • ปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียส (Nuclear fission) • ปฏิกิริยาการหลอมนิวเคลียส (Nuclear fusion) • อนุภาคมูลฐานของสาร • อนุภาค มวล (amu) ประจุ • อิเล็กตรอน (e-) 0.00054858 -1 • โปรตอน (p) 1.0073 +1 • นิวตรอน (n) 1.0087 0 • 1 amu = 1.66 x 10-24 g • ในนิวเคลียสประกอบด้วย n และ p และมี e- กระจายอยู่ในที่ว่าง รอบ ๆ นิวเคลียส

4. A Z • Nucleon = p + n อนุภาคของนิวเคลียส • X “nuclide” • A = mass number (เลขมวล) = p + n • Z = atomic number (เลขอะตอม) = p หรือ e- • ตัวอย่าง Pb • Isotope C C C C • Isotone Li Be B C (n=6) • Isobar B C N 208 82 12 13 14 11 6 6 6 6 9 10 11 12 3 4 5 6 12 12 12 5 6 7

5. จำนวนนิวไคลด์ที่มีอยู่ในธรรมชาติจำนวนนิวไคลด์ที่มีอยู่ในธรรมชาติ • จำนวนโปรตอน คู่ คู่ คี่ คี่ • จำนวนนิวตรอน คู่ คี่ คู่ คี่ • จำนวนนิวไคลด์ 201 69 61 4 • นิวเคลียสของธาตุใด ๆ ที่มีจำนวน p และ n เป็น 2, 8, 20, 28, 50, 82 และ 126 พบว่า นิวเคลียสจะมีเสถียรภาพมากและมีจำนวน isotope มากด้วย เช่น • He O Ca Sr Pb • 3 isotope 6 isotope 4 40 208 16 88 82 2 8 20 38

6. สารกัมมันตรังสีในธรรมชาติสารกัมมันตรังสีในธรรมชาติ ธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 ล้วนแต่เป็นนิวไคลด์กัมมันตรังสีทั้งสิ้น ธาตุเหล่านี้ล้วนแต่อยู่ในอนุกรมการสลายตัวตามธรรมชาติโดยเริ่มจากนิวไคลด์กัมมันตรังสีต่างๆ กันและสลายต่อเนื่องกันมากมาย แบ่งออกเป็น 3 อนุกรม • อนุกรมยูเรเนียม • อนุกรมนี้เริ่มจาก U-238 แล้วสิ้นสุดที่ Pb-206 • การสลายตัวแต่ละครั้งจะให้อนุภาคหรือรังสีออกมา เช่น แอลฟา เบตา แกมมา • อนุกรมนี้ยูเรเนียมมีครึ่งชีวิตมากที่สุดคือ 4.5 x 109ปี • นิวไคลด์กัมมันตรังสีทุกตัวใน อนุกรมนี้ จะมีเลขมวล = 4n + 2 ; n คือ เลขจำนวนเต็ม เช่น U-238 มีเลขมวล = ( 4 x 59 ) + 2

7. อนุกรมทอเรียม • อนุกรมนี้ ทอเรียม-232 จะสลายตัวเป็นขั้นๆ จนสิ้นสุดที่ ตะกั่ว-208 • อนุกรมนี้ Th - 232 มีครึ่งชีวิตมากที่สุดคือ 1.42 x 109ปี มีการสลายตัว 10 ขั้น โดยปล่อยอนุภาคเบตา 4 ครั้ง และ อนุภาคแอลฟา 6 ครั้ง • อนุกรมทอเรียมนี้พบว่าทุกธาตุมีเลขมวล =4n ; n คือ เลขจำนวนเต็ม อนุกแอกทิเนียม • เริ่มต้นจากยูเรเนียม-235 สิ้นสุดที่ตะกั่ว-207 • อนุกรมนี้ ยูเรเนียม-235 มีครึ่งชีวิตมากที่สุดคือ 7.1 x 108ปี สลายตัว 14 ขั้น ให้อนุภาค เบตา 6 ครั้ง และแอลฟา 8 ครั้ง • อนุกรมแอกทิเนียมนี้ทุกธาตุมีเลขมวล = 4n + 3 ; n คือ เลขจำนวนเต็ม

8. การสลายกัมมันตรังสี • Nuclide ที่มีอัตราส่วน n : p อยู่นอกขอบเขตแถบเสถียร จะเกิดการคายกัมมันตรังสีขึ้นเองได้ โดยคายอนุภาคย่อยตั้งแต่ 1 อนุภาคขึ้นไป หรือคายรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า • ชนิดของการสลาย ปกติขึ้นอยู่กับอัตราส่วน n : p ที่อยู่ข้างบน ล่างหรือขวาของแถบเสถียร

9. กราฟแสดงการ plot ระหว่างจำนวน p (แกน x) และจำนวน n (แกน y) สำหรับ isotopes ที่เสถียรหลายชนิดซึ่งแสดงโดยจุดสีแดง แถบที่ปรากฏเป็นบริเวณของ isotopes ที่มีเสถียรภาพ ส่วนเส้นตรงแสดงถึง isotopes ที่จำนวน n ต่อ จำนวน p เท่ากับ 1

10. ชนิดของการคายกัมมันตรังสีชนิดของการคายกัมมันตรังสี 0 0 -1 -1 • ชนิด ประเภท มวล (amu) ความเร็ว อำนาจทะลุทะลวง • เบตา (B-) อิเลคตรอน 0.00055 < 90% ความเร็วแสง ต่ำ-ปานกลาง • B or e • โพสิตรอน (B+) ประจุบวก 0.00055 < 90% ความเร็วแสง ต่ำ-ปานกลาง • B or e • อัลฟา นิวเคลียสฮีเลียม 4.0026 < 10% ความเร็วแสง ต่ำ • He • โปรตอน นิวเคลียสไฮโดรเจน 1.0073 < 10% ความเร็วแสง ต่ำ-ปานกลาง • H • นิวตรอน นิวตรอน 1.0087 < 10% ความเร็วแสง สูงมาก • n • รังสีแกมม่า รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า 0 ความเร็วแสง สูง 0 0 +1 +1 4 2 1 1 1 0

11. ความสามารถในการทุทะลวงของอนุภาคและรังสี เป็นสัดส่วนกับพลังงานของ nuclide นั้น • อนุภาคแอลฟา - อำนาจในการทะลุทะลวงต่ำ ไม่สามารถทำลายหรือทะลุผ่านผิวหนังได้ แต่สามารถทำลายเนื้อเยื่อภายในที่ว่องไวได้ถ้าหายใจเอาเข้าไปในร่างกาย • อนุภาคเบตาและโพสิตรอน - มีอำนาจทะลุทะลวงมากกว่าอนุภาคแอลฟาที่หนักกว่าประมาณ 100 เท่าและมีความเร็วในการเคลื่อนที่ช้ากว่า ซึ่งมีอำนาจทะลุผ่านแผ่น Al ได้ 0.3 cm และทำให้ผิวหนังไหม้แต่ไม่สามารถเข้าถึงอวัยวะภายในได้ • รังสีแกมม่าพลังงานสูง - มีอำนาจทะลุทะลวงสูงมาก สามารถทำลายผิวหนังและอวัยวะภายในได้ มีความเร็วเท่ากับแสง

12. นิวไคลด์ที่อยู่เหนือแถบเสถียรนิวไคลด์ที่อยู่เหนือแถบเสถียร • มีอัตราส่วนของนิวตรอนสูงเกินไป จะเกิดการสลายที่ทำให้อัตราส่วน n/p ลดลง เช่นการคายอนุภาคเบตาหรือคายอนุภาคนิวตรอน อนุภาคเบตาเป็นอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียส • n p + B • ผลการคายเบตาทำให้เพิ่มจำนวนโปรตอน 1 โปรตอนและลดจำนวนนิวตรอน 1 นิวตรอน ดังตัวอย่าง • Ra Ac + B • การคายนิวตรอนจะลดจำนวนนิวตรอนไป 1 นิวตรอน โดยปราศจากการเปลี่ยนแปลงเลขอะตอม ได้ไอโซโทปที่เบากว่าเกิดขึ้น • I I + n 1 1 0 0 -1 1 228 228 0 89 -1 88 1 137 136 0 53 53

13. นิวไคลด์ที่อยู่ต่ำกว่าแถบเสถียรนิวไคลด์ที่อยู่ต่ำกว่าแถบเสถียร • สามารถเพิ่มอัตราส่วน n : p ในนิวเคลียสได้ โดยการคายโพสิตรอน หรือการยึดจับอิเล็กตรอน (โพสิตรอนมีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน แต่มีประจุเป็นบวก โพสิตรอน ถูกคายเมื่อโปรตอนเปลี่ยนไปเป็นนิวตรอน) • p n + B • การคายโพสิตรอนเป็นผลให้เลขอะตอม (Z) ลดลงไปหนึ่งและเพิ่มจำนวนนิวตรอนขึ้นหนึ่งนิวตรอน โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลขมวล (A) • K Ar + B • การยึดจับ e- ซึ่ง e- จากชั้น K(n=1) ถูกยึดจับโดยนิวเคลียส • Ag + e Pd 1 1 0 1 +1 0 38 38 0 18 +1 19 106 0 106 47 -1 46

14. 22 0 22 11 10 -1 22 0 22 11 10 +1 • นิวไคลด์บางชนิด จะเกิดได้ทั้งการยึดจับ e- และการคายโพสิตรอน เช่น • Na + e Ne (3%) • Na Ne + B (97%) • บางนิวไคลด์ โดยเฉพาะชนิดที่หนักกว่า จะเกิดการคายอนุภาคแอลฟา ( He) มี 2 โปรตอน และ 2 นิวตรอน การคายแอลฟาเป็นผลทำให้เพิ่มอัตราส่วน n: p ดังตัวอย่าง • Pb Hg + He 4 2 4 204 200 80 2 82

15. 226 4 222 • นิวไคลด์ทั้งหมดที่มีเลขอะตอม (Z) มากกว่า 82 อยู่นอกแถบเสถียร และเป็นสารกัมมันตรังสี การสลายของนิวไคลด์เหล่านี้ หลายชนิดเกิดการคายอนุภาคแอลฟา เช่น • Ra Rn + He • Po Pb + He • บางไอโซโทปของยูเรเนียม (Z = 92) และธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่า ปกติ สลายโดยการแยกนิวเคลียส ในขบวนการนี้ นิวไคลด์ที่หนักจะแตกตัวไปเป็นนิวไคลด์ที่มีมวลขนาดกลางและนิวตรอน • Cf Ba + Mo + 4 n 88 86 2 206 210 4 82 2 84 1 252 142 106 98 56 42 0

16. การแตกสลายตัวของนิวไคลด์กัมมันตรังสีการแตกสลายตัวของนิวไคลด์กัมมันตรังสี • นิวไคลด์กัมมันตรังสีมีสมบัติเฉพาะ คือ มีการแตกสลายและการแผ่รังสีออกมาตลอดเวลา • อัตราการแตกสลายตัวนี้ไม่ขึ้นอยู่กับอิทธิพลต่าง ๆ เช่น สถานะทางเคมี อุณหภูมิ ความดัน และอายุของนิวเคลียส • อัตราการแตกสลายตัวเป็นปฏิภาคโดยตรงกับจำนวนนิวไคลด์กัมมันตรังสีในขณะนั้นและเป็นจลนศาสตร์อันดับหนึ่ง

17. กัมมันตภาพรังสี หรือ activity (radioactivity) = จำนวนการสลายตัวภายในหนึ่งหน่วยเวลา • Activity จะเป็นปฏิภาคโดยตรงกับจำนวนอะตอมของนิวไคลด์กัมมันตรังสี • เดิมหน่วยของแอกติวิตีเป็นคูรี่ (Curie) หมายถึง สารกัมมันตรังสีที่มีการแตกสลายตัวในอัตรา3.7x1010 ครั้ง/วินาที • ปัจจุบันหน่วย SI ของ activity คือ Becquerl, Bq) • 1Bq = การสลายตัวทางกัมมันตรังสี 1 ครั้งต่อวินาที = 2.70x10-11 Ci (Curie)

18. อัตราการสลาย = k[A] • log [A0]/[A] = akt/2.303 หรือ ln [A0]/[A] = akt • A = ปริมาณนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่ยังคงมีอยู่ ณ เวลาหนึ่ง (t) • A0 = ปริมาณนิวไคลด์ตอนเริ่มต้น • k = ค่าคงที่อัตรา • a = 1 (แต่ละอะตอมที่เกิดการสลายไม่ขึ้นกับสารอื่น ๆ ) • ให้ N = จำนวนสารที่สลายต่อหน่วยเวลา • log [N0]/[N] = kt/2.303 หรือ ln [N0]/[N] = kt

19. ความสัมพันธ์ระหว่าง log N กับเวลา

20. Half-life (t1/2) • ครึ่งชีวิตของปฏิกิริยา = ปริมาณเวลาที่ใช้ไปในการที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยาไปครึ่งหนึ่งของปริมาณเริ่มต้น • สำหรับขบวนการอันดับหนึ่ง: • t 1/2 = ln2/k = 0.693/k • Sr - nuclide กัมมันตรังสีที่เกิดการคายเบตา มี t 1/2 = 28 ปี • กราฟของ nuclide กัมมันตรังสีทั่วไป เป็นรูปกราฟการสลาย exponential ประมาณ 10 t 1/2 (280 ปี สำหรับ Sr) nuclide กัมมันตรังสีจะสลายไป 99.9% 90 38 90 38

21. ตัวอย่าง โคบอลต์ ในทางการแพทย์ใช้ในการทำลายเนื้อเยื่อมะเร็ง โดยการสลายให้รังสีแกมม่า โคบอลต์-60 สลายตัวด้วยการคายอนุภาคเบตาและรังสีแกมม่า มีครึ่งชีวิต 5.27 ปีCo Ni + B + ถ้าสารตัวอย่างโคบอลต์-60 มี 3.42 ug จะเหลือเท่าไร หลังจากเวลาผ่านไป 30.0 ปี 0 -1 60 27 60 28 • วิธีทำ หาค่าคงที่อัตรา • t 1/2 = 0.693/k ดังนั้น k = 0.693/ t 1/2 = 0.693/5.27 ปี = 0.131 ปี-1 • ใช้ค่า k หาอัตราส่วนของ A0 ต่อ A หลังเวลาผ่านไป 30 ปี • log [A0]/[A] = kt/2.303 = 0.131 ปี-1(30 ปี)/2.303 = 1.71 • A0/A = 10 1.71 = 51 • 3.42 ug /A = 51 • A = 0.067 ug

22. การตรวจสอบและการวัดกัมมันตภาพรังสีการตรวจสอบและการวัดกัมมันตภาพรังสี • กัมมันตภาพรังสีไม่มีกลิ่น เสียง และมองไม่เห็น แต่เมื่อรังสีวิ่งผ่านสสารหรือวัตถุที่ขวางกั้นและมีการถ่ายเทพลังงาน จะทำให้เกิดไอออไนเซชัน หรือการเร้าขึ้น ซึ่งเป็นรากฐานในการประดิษฐ์เครื่องมือตรวจวัดรังสี • การตรวจรังสีด้วยฟิล์ม • Henry Becquerel ได้สังเกตเห็นจุดดำๆ บนฟิล์มที่ใช้ห่อผลึกเกลือยูเรเนียม โดยที่รังสีจะกระตุ้นให้เกิดเกลือเฮไลด์ของเงินในฟิล์ม อนุภาคของเกลือเฮไลด์ที่ถูกรังสีกระตุ้นจะถูกรีดิวซเป็นเงินได้ดีกว่าอนุภาคที่ไม่ถูกกระตุ้นและจะปรากฏเป็นสีดำบนฟิล์ม จากความเข้มที่ปรากฏบนฟิล์มสามารถบอกปริมาณรังสีได้

23. เครื่องวัดรังสีแบบคลาวด์เชมเบอร์ (cloud chamber) • เครื่องมือชนิดนี้อาศัยหลักที่ว่า เมื่อรังสีจากสารกัมมันตรังสีผ่านไปในอากาศที่อิ่มตัวด้วยไอน้ำจะเกิดไอออไนเซชันเป็นคู่ไอออนและไอน้ำที่อิ่มตัวจะกลั่นตัวเป็นหยดน้ำเล็กๆ เกาะที่ไอออนทำให้เกิดเป็นทางขาวๆ ให้เห็นเป็นทางเดินรังสี • ทิศทางเดินของอนุภาคของรังสีแอลฟา จะเป็นทางเดินที่สั้นตรงและหนา • อนุภาคเบตาจะมีทางเดินที่ยาวและบางกว่า

24. เครื่องมือวัดรังสีแบบไกเกอร์มูลเลอร์ (Geiger-Muller) • ประกอบด้วยหัววัดรังสีที่เรียกว่า หลอดไกเกอร์มูลเลอร์ ซึ่งเป็นหลอดแก้วที่อยู่ในกระบอกโลหะ ภายในหลอดแก้วบรรจุแก๊สที่มีความดันต่ำ เช่น อาร์กอนปนกับไอของแอลกอฮอล์ ตรงกลางหลอดจะมีลวดโลหะเส้นเล็กๆ ทำหน้าที่เป็นขั้วบวก ส่วนกระบอกโลหะเป็นขั้วลบ ขั้วทั้งสองจะต่อไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงมาก เมื่อทำการวัดรังสีอนุภาคที่มีประจุจะไอออไนส์แก๊สภายในหลอดให้อิเล็กตรอนและไอออนบวก อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะวิ่งด้วยความเร็วสูงไปยังขั้วบวก เมื่ออิเล็กตรอนและไอออนบวกวิ่งไปยังขั้วทั้งสองจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นซึ่งจะต่อเข้ากับเครื่องขยายและเครื่องนับรังสีเพื่อบอกปริมาณรังสีออกมาเป็นตัวเลข

25. เครื่องมือวัดรังสีแบบไกเกอร์มูลเลอร์ (Geiger-Muller)

26. เครื่องวัดรังสีแบบซินทิลเลชัน (Scintillation Counter)) • สร้างขึ้นโดยอาศัยหลักการที่รังสีไปกระทำกับสารเรืองแสง เช่น ZnS แล้วทำให้เกิดแสงประกายวาบและวัดปริมาณรังสีจากการนับจำนวน scintillation บนฉากเรืองแสงที่อยู่ในห้องมืด • ต่อมามีการประดิษฐ์เครื่องมือหลอดไวแสงที่เรียกว่า photomultiplier tube ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนแสงที่เกิดจากรังสีให้กลายเป็นกระแสไฟฟ้าจำนวนน้อยๆ และถูกส่งไปยังเครื่องขยายและเข้าไปยังส่วนประกอบทางอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าไปเป็นตัวเลขที่บอกปริมาณรังสี

27. เครื่องเร่งอนุภาค • เครื่องเร่งตามแนวตรง (Linear accelerators) • เครื่องเร่งตามแนวตรงอย่างง่ายประกอบด้วยท่อทรงกระบอกทำหน้าที่เป็นอิเล็กโตรด ท่อทั้งหมดที่เป็นเลขคู่ต่อกับลวดตัวนำเส้นหนึ่ง ส่วนท่อเลขคี่ก็ต่อกับลวดตัวนำแล้วนำลวดตัวนำทั้งสองมาต่อกับเครื่องสลับความถี่ที่มีความถี่สูง ในขณะที่อิเล็กโตรดที่เป็นเลขคี่ติดลบ อิเล็กโตรดที่เป็นเลขคู่จะเป็นบวกและสลับกันไปตลอดเวลา

28. สำหรับอนุภาคที่ต้องการจะเร่ง จะต้องทำให้เป็นไอออนเสียก่อน เป็นต้นว่าต้องการเร่งโปรตอนจะต้องทำให้อะตอมของไฮโดรเจนเป็นไอออนบวกอนุภาคก็จะมีความเร็วคงที่ เพราะสนามคงที่แต่จะมีการเร่งความเร็วขึ้นตรงช่องว่างระหว่างทรงกระบอก ฉะนั้นทันทีที่โปรตอนเคลื่อนที่พ้นกระบอกที่1 กระบอกที่2 จะเป็นลบและกระบอกที่1จะกลับเป็นบวกความเป็นบวกและลบจะสลับกันไปตลอดความยาวของเครื่องเร่ง พลังงานทั้งหมดของโปรตอนที่เพิ่มขึ้นเป็นผลบวกของพลังงานส่วนที่เพิ่มขึ้นทั้งหมดในขณะที่มีความเร่งในช่องว่างระหว่างกระบอกตลอดแนว

29. เนื่องจากความเร็วของโปรตอนเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามระยะทางที่เพิ่มขึ้นในขณะที่ความถี่ของการสลับคงที่ เพราะฉะนั้นความยาวของกระบอกจะยาวขึ้นเรื่อยๆ ทั้งนี้เพื่อจะให้โปรตอนผ่านพ้นกระบอกต่างๆ ในเวลาเท่ากัน • เครื่องเร่งตามแนวตรงสำหรับโปรตอน

30. เครื่องเร่งตามแนววงกลม (Circular accelerators) • ในเครื่องเร่งตามแนววงกลม อนุภาคที่มีประจุจะถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าและจะเคลื่อนที่ในลักษณะที่เป็นวงกลมโดยการบังคับของสนามแม่เหล็ก เครื่องแรกได้สร้างขึ้นโดย โอ. อี. ลอเรนซ์ (O.E. Lawrence) และ เอ็ม. เอส. ลิฟวิงสตัน (M.S. Livingston) ในปี ค.ศ. 1930 ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เมืองเบิร์กเลย์ ตอนแรกให้ชื่อว่า magnetic resonance accelerator แต่ตอนหลังได้เปลี่ยนชื่อให้เหมาะสมเป็นเครื่อง ไซโคลตรอน (cyclotron) หลักการของเครื่องไซโคลตรอนขึ้นอยู่กับความจริงสองประการคือ • 1. อนุภาคที่มีประจุจะดึงดูดหรือผลักกับสิ่งที่มีประจุตรงข้ามหรือประจุอย่างเดียวกัน 2. อนุภาคที่มีประจุจะเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กในลักษณะเป็นเส้นโค้ง แบบวงกลม

31. เครื่องไซโคลตรอนประกอบด้วยแม่เหล็กขนาดใหญ่ ระหว่างขั้วแม่เหล็กทั้งสองมีภาชนะที่เป็นสุญญากาศ (vacuum chamber) ในภาชนะสุญญากาศมีแหล่งกำเนิดไอออนและ อิเล็กโตรดสองอันเรียกว่า “ดี” (Dee) ซึ่งมีลักษณะเป็นครึ่งวงกลมแบบตัวอักษร D และกลวงข้างใน ต่ออิเล็กโตรดทั้งสองกับเครื่องสลับความถี่ (radiofrequency oscillator) เพื่อสลับความเป็นบวกและลบของอิเล็กโตรดทั้งสอง • เครื่องไซโคลตรอน

32. เมื่ออิเล็กโตรดอันหนึ่งเป็นบวกและอีกอันหนึ่งเป็นลบ ดังนี้ไอออนบวกก็จะถูกเร่งเข้าไปยังที่ๆเป็นลบและเคลื่อนที่แบบวงกลมในนั้นเพราะอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กด้วยความเร็วที่คงที่ เมื่อมีการสลับความเป็นบวกและลบอีกครั้งหนึ่งไอออนบวกก็จะถูกเร่งไปยัง “ดี” ทั้งสอง เมื่อกระบวนการนี้ทำต่อเนื่องกันตลอด ความเร็วของไอออนจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ทำให้รัศมีของการเคลื่อนที่ของไอออนเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เช่นกัน เมื่อการเพิ่มรัศมีของการเดินทางจวนถึงริมขอบของ “ดี” ก็จะให้อนุภาคนั้นสะท้อนออกโดยใช้แผ่นสะท้อน (reflector plate) ไอออนที่มีพลังงานสูงก็สามารถนำมาใช้ในการทำปฏิกิริยาตามที่ต้องการ

33. เครื่องเร่งตามแนววงกลมอีกแบบหนึ่งเรียกว่า ซินโครตรอน (synchrotron) ซึ่งอนุภาคจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมด้วยรัศมีที่คงที่ แทนที่จะแผ่ออกไปเรื่อยๆ อย่างในเครื่องไซโคล ตรอน แม่เหล็กที่ใช้เป็นวงแหวนซึ่งทำเป็นร่องตามวงแหวนนั้น ระหว่างแม่เหล็กมีภาชนะรูปคล้ายโดนัทที่กลวงเป็นสุญญากาศซึ่งเป็นทางเคลื่อนที่ของอนุภาค ก่อนที่จะนำอนุภาคเข้าไปในเครื่องไซโครตรอนอนุภาคจะต้องถูกเร่งด้วยเครื่องเร่งอย่างอื่นเสียก่อน เช่น ใช้เครื่องเร่งตามแนวตรง เมื่อผ่านไอออนเข้าไปในซินโครตรอนที่มีสนามแม่เหล็กค่อนข้างต่ำ ในตอนแรกไอออนจะเคลื่อนที่รอบๆ ตามแนวของวงแหวน และผ่านอิเล็กโตรดที่ใช้เร่ง (accelerating electrode) ซึ่งทำหน้าที่เร่งความเร็วของอนุภาคทุกครั้งที่เคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโตรดนี้แต่ละรอบความเร็วของไอออนจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ด้วย เพื่อรักษาการเคลื่อนที่ของไอออนให้อยู่ในรัศมีที่คงที่ เนื่องจากพลังงานและความเร็วของไอออนเพิ่มขึ้น ความถี่ของเครื่องสลับ (oscillator frequency) จะต้องเพิ่มขึ้นด้วยเพื่อที่จะให้ไอออนและอิเล็กโตรดอยู่ในลักษณะที่ดึงดูดกัน ได้พอดี จึงจะเร่งไอออนได้

34. เครื่องโปรตอน-ซินโครตรอน เมื่อไอออนได้พลังงานตามต้องการแล้วก็สามารถนำมาใช้ทำปฏิกิริยนิวเคลียร์ต่อไปและเครื่องเร่งก็พร้อมที่จะเร่งไอออนกลุ่มต่อไป ซึ่งแต่ละครั้งอาจใช้เวลาประมาณ 6 วินาที เครื่องซินโครตรอนสามารถเร่งอนุภาคให้มีพลังงานได้ถึง 70 GeV (70 gigaelectronvolts)

35. ปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียร์ (Nuclear Fission) • isotope ของธาตุบางชนิด ที่มีเลขอะตอม (Z) มากกว่า 80 สามารถเกิดปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียร์ซี่งจะให้ nuclide ที่มีมวลปานกลางและคายนิวตรอนตั้งแต่ 1 นิวตรอนขึ้นไป • บางปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียร์ เกิดขึ้นได้เอง บางปฏิกิริยาต้องใช้พลังงานกระตุ้นโดยการยิงอนุภาค • นิวเคลียร์สามารถแยกได้หลายวิธี ซึ่งจะให้พลังงานออกมาอย่างมหาศาล

36. 160 62 72 30 1 0 146 57 87 35 1 0 • บางปฏิกิริยาการแยกที่เป็นไปได้ เป็นผลจากการยิงยูเรเนียม-235 ที่เกิดการแยกได้ด้วยนิวตรอนเร็ว และยูเรนียม-236 เป็นสารตัวกลางอายุสั้น • Sm + Zn + 4 n + พลังงาน • La + Br + 3 n + พลังงาน • U + n [ U] Ba + Kr + 3 n + พลังงาน • Cs + Rb + 2 n + พลังงาน • Ba + Kr + 2 n + พลังงาน 235 92 1 0 236 92 140 56 93 36 1 0 144 55 90 37 1 0 144 54 90 38 1 0

37. พลังงานยึดเหนี่ยว = ปริมาณพลังงานที่ให้เข้าไปทำให้นิวเคลียสแตกสลายไปเป็นอนุภาคย่อยของอะตอม • อะตอมที่มีเลขมวล (A) ปานกลาง จะมีพลังงานยึดเหนี่ยวสูงสุด • มีความเสถียรมาก ( Fe) • ปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียร์ของอะตอมหนักเป็นปฏิกิริยาดูดพลังงาน 56 26

38. Nuclide ที่มี Z ระหว่าง 89-98 จะเกิดการแยกนิวเคลียร์ขึ้นเองได้ ด้วย t 1/2ที่ยาว ( 10 4- 10 7 ปี) • nuclide ที่มี Z มากกว่า 98 เกิดการแยกนิวเคลียร์ด้วย t 1/2ที่สั้นกว่า (2 ms - 60.5 days) • nuclide ที่มี A ระหว่าง 225 และ 250 ไม่เกิดการแยกนิวเคลียสที่เกิดขึ้นเองได้ แต่สามารถทำให้เกิดการแยกนิวเคลียสได้ด้วยการยิงด้วย อนุภาคที่มีพลังงานจลน์ต่ำ เช่น นิวตรอน โปรตอน แอลฟา อิเล็กตรอน • nuclide ที่มีจำนวน โปรตอน และนิวตรอนเป็นเลขคู่ จะมีความเสถียรสูง • ไม่สามารถเกิดการแยกนิวเคลียสได้ เช่น • U p = 92, n = 146 • แต่ U และ U เกิดได้ 238 92 233 92 235 92

39. ปฏิกิริยาการหลอมนิวเคลียร์ (Nuclear Fusion) • การทำให้ nuclide ที่เบากว่ารวมกันเป็น nuclide ที่หนักกว่า จะเกิดได้ดีในอะตอมที่เบามาก ๆ • ปริมาณพลังงานต่อหน่วยมวลอะตอมที่เกิดปฏิกิริยา ในปฏิกิริยาการ หลอมนิวเคลียร์มีมากกว่าปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียร์ • ดวงอาทิตย์ เป็นปฏิกรณ์ปฏิกิริยาการหลอมนิวเคลียร์ขนาดมหึมา ที่ประกอบด้วย H 73%, He 26% และธาตุอื่น ๆ อีก 1% • มีปฏิกิริยาหลอมนิวเคลียร์หลักคือ • H + H He + n + พลังงาน • ดิวทีเรียม ตริเตรียม 2 1 40,000,000 K 3 1 4 2 1 0

40. ดังนั้น พลังงานแสงอาทิตย์จริง ๆ เกิดจากพลังงานการหลอมนิวเคลียร์ เป็นพลังงานที่ไม่มีวันหมด ในอนาคต่อไป เชื้อเพลิงฟอสซิล จะถูกทดแทนด้วยพลังงานการหลอมนิวเคลียร์

41. ระเบิดไฮโดรเจน หรือระเบิดเทอร์โมนิวเคลียร์ (thermonuclear bomb) เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันของดิวทีเรียมและ ตริเตียม ปฏิกิริยาดังกล่าวจะเกิดขึ้นได้เมื่อมีอุณหภูมิสูงซึ่งได้จากการระเบิดของระเบิดปรมาณู (fission bomb) ปฏิกิริยาเริ่มต้นในระเบิดไฮโดรเจนเกิดขึ้นได้หลายปฏิกิริยา แต่ที่สำคัญได้แก่ H + H He + n + 17.6 MeV พลังงานที่ให้ออกมาทั้งหมดขึ้นอยู่กับปริมาณของ ดิวทีเรียม และ ตริเตียม ถ้าเราสามารถควบคุมพลังงานที่ได้จากระเบิดไฮโดรเจนได้ มนุษย์เราก็จะมีแหล่งพลังงานอย่างไม่มีขีดจำกัด เพราะว่าในโลกของเรามีปริมาณของไฮโดรเจนอยู่เป็นจำนวนมหาศาล