Nuclear physics
Download
1 / 47

Nuclear Physics - PowerPoint PPT Presentation


  • 73 Views
  • Uploaded on

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ ( Nuclear Physics ). ศึกษาสมบัติของนิวเคลียส โครงสร้างของนิวเคลียสและผลจากระบวนการต่างๆเกี่ยวกับนิวเคลียส. ค้นพบรังสีจากนิวเคลียสเป็นคนแรก จากการหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้วปล่อยพลังงานเป็น x-ray โดยใช้สารประกอบของยูเรเนียม. การค้นพบกัมมันตภาพรังสี ( radioactivity ).

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 'Nuclear Physics' - guiliaine


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
Nuclear physics
ฟิสิกส์นิวเคลียร์(Nuclear Physics)

  • ศึกษาสมบัติของนิวเคลียส โครงสร้างของนิวเคลียสและผลจากระบวนการต่างๆเกี่ยวกับนิวเคลียส


Radioactivity

ค้นพบรังสีจากนิวเคลียสเป็นคนแรก จากการหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้วปล่อยพลังงานเป็น x-ray โดยใช้สารประกอบของยูเรเนียม

การค้นพบกัมมันตภาพรังสี(radioactivity)

Henri Becquerel

กัมมันตภาพรังสี(radioactivity) คือ รังสีที่แผ่ออกมาจากสารกัมมันตรังสี(radioactive element)


Marie curie
Marie Curie จากการหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้วปล่อยพลังงานเป็น

พบกัมมันตภาพรังสีจาก โพโลเนียม และเรเดียม

รังสีจากสารกัมมันตรังสีเกิดจากการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส นิวเคลียสที่ไม่เสถียร

จะสลายตัวจนกว่าจะเสถียร


ชนิดกัมมันตภาพรังสี จากการหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้วปล่อยพลังงานเป็น


กระบวนการสลายแอลฟา จากการหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้วปล่อยพลังงานเป็น


  • รังสีแอลฟา จากการหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้วปล่อยพลังงานเป็น

  • มีส่วนประกอบเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมมีมวลประมาณ 4u มีประจุไฟฟ้า +2e มีพลังงานประมาณ 6 Mev รังสีแอลฟาสามารถทำให้สารที่รังสีผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้ดี จึงเสียพลังงานอย่างรวดเร็ว

  • รังสีแอลฟาจึงมีอำนาจทะลุผ่านน้อยมาก กล่าวคือสามารถวิ่งผ่านอากาศได้ประมาณ 5 เซนติเมตร และเมื่อใช้แผ่นกระดาษบางๆ กั้น รังสีแอลฟาก็ทะลุผ่านไม่ได้ เนื่องจากรังสีนี้คือนิวเคลียสที่เป็นอนุภาค บางครั้งจึงเรียกรังสีแอลฟาว่า อนุภาคแอลฟา


กระบวนการสลายบีตา จากการหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้วปล่อยพลังงานเป็น


  • รังสีเบต้า จากการหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้วปล่อยพลังงานเป็น

  • เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า -1e มีมวลเท่ากับมวลของอิเล็กตรอน รังสีบีตา คืออิเล็กตรอน (ที่มาจากการสลายของนิวเคลียส มิใช่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส) มีพลังงานประมาณ 1 Mev รังสีบีตาสามารถวิ่งผ่านไปในอากาศได้ประมาณ 0.5 เมตร อำนาจทะลุผ่านของรังสีบีตาจึงมากกว่ารังสีแอลฟา บางครั้งเรียกรังสีบีตาว่า อนุภาคบีตา


กระบวนการสลายแกมมา จากการหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้วปล่อยพลังงานเป็น

  • เป็นรังสีที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า มีสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแกมมามีพลังงานประมาณ 0.01 Mevสามารถทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียมที่หนาหลายเซนติเมตรได้ จึงมีอำนาจทะลุผ่านมากที่สุดในบรรดารังสีทั้งสามชนิด

  • การสลายตัวของนิวเคลียส นิวเคลียสใหม่ที่เกิดขึ้นมักอยู่ในสถานะกระตุ้น จึงต้องปล่อยรังสีแกมาเพื่อให้อยู่ในสภาวะปกติ


ค่าเปรียบเทียบรังสีทั้งสามค่าเปรียบเทียบรังสีทั้งสาม

  • ความสามารถในการทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออน , , 

  • อำนาจการทะลุทะลวง , , 

  • มวล , , 

  • ความเร็ว , , 

  • พลังงาน , , 


โครงสร้างของนิวเคลียสโครงสร้างของนิวเคลียส

  • สมมติฐานโปรตอน-อิเล็กตรอน

  • นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนโดยมีจำนวนโปรตอนเป็นสองเท่าของอิเล็กตรอน

  • รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอว่ามีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าในนิวเคลียสให้ชื่อว่านิวตรอน(neutron)ซึ่งเป็นการยึดกันของโปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างแนบแน่น

  • จากหลักความไม่แน่นอน อิเล็กตรอนอยู่ในนิวเคลียสไม่ได้เพราะ

อิเล็กตรอนจะมีความเร็วมากกว่าแสง


การค้นพบนิวตรอนโครงสร้างของนิวเคลียส

James Chadwick

รังสีที่ได้

 +

รังสีที่ได้ชนโปรตอนในพาราฟินหลุดออกด้วยพลังงานประมาณ 5 MeV

ตอนแรกคิดว่ารังสีที่ได้เป็นรังสีแกมมา แต่จากการคำนวณถ้าเป็นรังสีแกมมา

จะต้องมีพลังงานถึง 55 MeVพลังงานระดับนี้จะทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออน

คิดการชนแบบยืดหยุ่นอนุภาคใหม่นี้มีมวลใกล้เคียงโปรตอนมาก และเป็นกลาง


นิวตรอนไม่ใช่เป็นการยึดกันของโปรตอนนิวตรอนไม่ใช่เป็นการยึดกันของโปรตอนและอิเล็กตรอนเพราะ

  • นิวตรอน โปรตอนและอิเล็กตรอนต่างมีสปินแม่เหล็กเท่ากับ ½ ถ้านิวตรอนเป็นการยึดกันของโปรตอนและอิเล็กตรอน นิวตรอนมีสปินแม่เหล็กเท่ากับ 0 หรือ 1 (จากการที่สปินหันตรงกันข้ามหรือหันทางเดียวกัน) จะเป็น ½ ไม่ได้ อีกทั้งนิวตรอนและโปรตอนมีโครงสร้างต่างกัน

uud

udd


โครงสร้างโปรตอนและนิวตรอนโครงสร้างโปรตอนและนิวตรอน


การสลายกัมมันตรังสีโครงสร้างโปรตอนและนิวตรอน

เป็นไปตามสถิติหรือโอกาสตามธรรมชาติ

คือ อัตราการสลายตัว

Nคือ จำนวนนิวเคลียสที่เหลืออยู่

N0 คือ จำนวนนิวเคลียสตั้งต้น

เครื่องหมายลบ แสดงถึงการลดลง  ค่าคงตัวในการสลายตัว


อนุกรมการสลายโครงสร้างโปรตอนและนิวตรอน


สมการการสลายกัมมันตรังสีสมการการสลายกัมมันตรังสี

เวลาที่สารกัมมันตรังสีใช้ในการสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของเดิม

เมื่อตั้งต้นเรียกว่า เวลาครึ่งชีวิต(half – life), T1/2

หรือ


จากสมการการสลายกัมมันตรังสี

เมื่อ

ดังนั้น

A0เป็นกัมมันตภาพขณะเริ่มต้น

A เป็นกัมมันตภาพที่เวลา tใดๆ

กัมมันตภาพมีหน่วยเป็นคูรี(Ci)

1 คูรี(Ci) =3.7  1010 เบคเคอเรล(นิวเคลียสต่อวินาที),Bq


ตัวอย่าง สารกัมมันตรังสีชิ้นหนึ่งมี อะตอม 1018 อะตอม มีเวลา ครึ่งชีวิต 2 วัน เมื่อเวลาผ่านไป 5 วัน จงหา ก. จำนวนอะตอมที่เหลือ ข. กัมมันตภาพของสาร


แรงนิวเคลียร์ สารกัมมันตรังสีชิ้นหนึ่งมี อะตอม 10(Nuclear Force)

Mesons: Protons and neutrons are held together in the nucleus by the "strong" nuclear force, which involves the exchange of short-lived particles called mesons. There is also a "weak" nuclear force responsible for radioactive decay.


แรงนิวเคลียร์คือแรงลักษณะใดแรงนิวเคลียร์คือแรงลักษณะใด

เป็นแรงที่ดึงดูดนิวคลีออนในนิวเคลียสไว้ด้วยกันมีค่ามากกว่าแรงคูลอมบ์ไม่น้อยกว่า 100 เท่า เกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคไพ-มีซอน(มีมวลประมาณ 273 เท่าอิเล็กตรอน)ระหว่างนิวคลีออนที่อยู่ใกล้ๆกัน


หลักสำคัญของแรงนิวเคลียร์หลักสำคัญของแรงนิวเคลียร์

  • เกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคไพ-มีซอน(นิวคลีออนอยู่ห่างกันไม่เกิน 9 10- 15 เมตร)ในระยะทางสั้นๆ10- 15 เมตร(1 เฟอร์มี)หรือน้อยกว่า

  • ไม่ขึ้นกับประจุไฟฟ้า

  • เป็นแรงกระทำระหว่างนิวคลีออนและ

    เป็นอันตรกิริยาแบบ แรง

    4 นิวคลีออนตัวหนึ่งๆจะมีแรงกระทำกับตัวที่อยู่ติดกันเท่านั้น ไม่มีแรงกระทำกับนิวคลีออนตัวที่อยู่ถัดไป


ขนาดของนิวเคลียสหลักสำคัญของแรงนิวเคลียร์

  • การใช้อนุภาคแอลฟาในการทดลอง

    ของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่สามารถหา

    ขนาดของนิวเคลียสที่แท้จริงได้

    เพราะอนุภาคแอลฟาไม่สามารถฝ่ากำแพงคูลอมบ์(coulomb barrier)เข้าไปถึงนิวเคลียสได้ จึงต้องใช้อนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูงหรือนิวตรอนเพื่อฝ่าแรงไฟฟ้าเข้าไปปะทะกับนิวเคลียสได้


R0 = 1.2  10 -15 เมตร



Binding energy
พลังงานยึดเหนี่ยวจงหารัศมีของนิวเคลียสของอะลูมิ(binding energy)

เป็นพลังงานที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคภายในนิวเคลียสให้อยู่รวมกันได้


การหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยวการหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยว

ออกซิเจนมีมวล 15.994915 u

ออกซิเจนประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอนอย่างละ 8 ตัว

ออกซิเจนมีมวลน้อยกว่าผลบวกของนิวตรอนและโปรตอนเท่ากับ 0.1371055 u คิดเป็นพลังงานยึดเหนี่ยว 127.6 MeV

พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน 7.98 MeV/ นิวคลีออน

  • มวลของนิวเคลียสโดยทั่วไปน้อยกว่าผลบวกของมวลของอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นนิวเคลียสในสภาวะอิสระ เช่น


พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน

ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงสุดประมาณ 8.75 MeV


ตัวอย่าง จงหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของ ไนโตรเจน(N - 14)

N – 14 มีมวล = 14.003074 u


หลักสำคัญปฏิกิริยานิวเคลียร์หลักสำคัญปฏิกิริยานิวเคลียร์

1 ผลรวมของประจุไฟฟ้าและเลขมวลก่อนเกิดปฏิกิริยาและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากัน

2 กฎอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้นและโมเมนตัมเชิงมุม

3 หลักการสมมูลของมวลและพลังงาน ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ มวลสารและพลังงานทั้งหมดของระบบต้องคงตัว


Nuclear reaction
ปฏิกิริยานิวเคลียร์หลักสำคัญปฏิกิริยานิวเคลียร์(NUCLEAR REACTION)


Nuclear reaction1
ปฏิกิริยานิวเคลียร์หลักสำคัญปฏิกิริยานิวเคลียร์(NUCLEAR REACTION)

  • เมื่อนิวเคลียส สองตัวเคลื่อนที่ฝ่าแรงคูลอมบ์เข้ามาใกล้กันภายในระยะของแรงนิวเคลียร์ อาจทำให้เกิดการจัดระเบียบการเรียงตัวของนิวคลีออนภายในนิวเคลียสขึ้นใหม่ ผลที่ได้อาจกลายเป็นหนึ่งนิวเคลียสใหม่หรือมากกว่าก็ได้ เขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้เป็น

    X + a →Y + b หรือ X ( a ,b )Y ******

    X = นิวเคลียสที่เป็นเป้า

    a = อนุภาคที่ชนเป้า

    Y= นิวเคลียสธาตุใหม่ที่เกิดขึ้นหลังการชน

    b = อนุภาคที่เกิดขึ้นหลังการชน


  • รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นคนแรกที่พบปฏิกิริยานิวเคลียร์ โดยใช้อนุภาคแอลฟา 7.68 MeVยิงนิวเคลียสไนโตรเจน แล้วได้กาซออกซิเจนกับโปรตอน

  • ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดจากการยิงนิวเคลียสด้วยอนุภาคของนิวเคลียสเบาเช่น นิวตรอน โปรตอน ดิวเทอรอน ไม่ใช้นิวเคลียสของธาตุหนัก หรืออาจใช้โฟตอนหรือแกมมาก็ได้


หลักสำคัญปฏิกิริยานิวเคลียร์หลักสำคัญปฏิกิริยานิวเคลียร์

  • 1 ผลรวมของประจุไฟฟ้าและเลขมวลก่อนเกิดปฏิกิริยาและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากัน

  • 2 กฎอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้นและโมเมนตัมเชิงมุม

  • 3 หลักการสมมูลของมวลและพลังงาน ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ มวลสารและพลังงานทั้งหมดของระบบต้องคงตัว


กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสกระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียส


นิวเคลียสธาตุหนักถูกทำให้แบ่งตัวนิวเคลียสธาตุหนักถูกทำให้แบ่งตัว


กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสอธิบายได้ด้วยแบบจำลองกระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสอธิบายได้ด้วยแบบจำลอง

หยดของเหลว นั่นคือ

  • เมื่อยิงนิวตรอนเข้าไปในนิวเคลียสธาตุหนัก นิวเคลียสนั้นจะดูดกลืนนิวตรอนไว้ทำให้เกิดการสั่นขึ้นภายในและทำให้สูญเสียสภาพที่เป็นทรงกลม แรงนิวเคลียร์ซึ่งเป็นแรงระยะสั้นจะเสียประสิทธิภาพในการยึดเหนี่ยว เนื่องจากนิวเคลียสมีพื้นที่ผิวมากขึ้น เมื่อเวลาผ่านไปแรงดึงดูดอ่อนแรงลง แรงผลักทางไฟฟ้าจะมีค่ามากกว่า นิวเคลียสก็จะเสียรูปทรงมากขึ้นๆ จนในที่สุดนิวเคลียสแตกเป็น 2 เสี่ยง


ขั้นตอนกระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสอธิบายได้ด้วยแบบจำลองกระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียส

  • 1 นิวเคลียสธาตุหนักจับนิวตรอน

  • 2 ผลของการจับนิวตรอนนิวเคลียสธาตุหนักอยู่ในสถานะกระตุ้น มีการสั่นอย่างรุนแรง

  • 3 แรงผลักระหว่างโปรตอนจะทำให้เกิดการบิดเบี้ยวยิ่งขึ้น

  • 4 นิวเคลียสแตกออกเป็นสองส่วน โดยมีนิวตรอนจำนวนหนึ่ง 2-3 ตัว และพลังงาน


  • กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสจะมีนิวตรอนจำนวนหนึ่ง 2-3 ตัวในแต่ละปฏิกิริยา ซึ่งนิวตรอนใหม่นี้อาจวิ่งชนนิวเคลียสของยูเรเนียมต่อไป ทำให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่อง ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่(chain reaction) ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาน้อยกว่า 10-6 วินาที จึงให้ค่าพลังงานมหาศาล


กระบวนการหลอมนิวเคลียสกระบวนการหลอมนิวเคลียส


  • Hans Betheกระบวนการหลอมนิวเคลียสอธิบายว่าการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบหลอมนิวเคลียสเกิดจากการหลอมตัวของนิวเคลียสเบาสองนิวเคลียสแล้วกลายเป็นนิวเคลียสหนักหนึ่งนิวเคลียส และปล่อยพลังงานมหาศาลออกมา

  • กระบวนการหลอมนิวเคลียสเกิดขึ้นที่อุณหภูมิประมาณ 10 ล้านเคลวิน ภายใต้ความดันสูง


1 proton proton cycle
1 กระบวนการหลอมนิวเคลียสวัฏจักรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)


ขั้นตอนของวัฏจักรโปรตอน-โปรตอนขั้นตอนของวัฏจักรโปรตอน-โปรตอน

  • นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัว รวมกันได้อนุภาคแอลฟา 1 ตัว โปรตอน 2 ตัว และโพซิตรอนอีก 2 ตัว พร้อมกับให้พลังงานประมาณ 25 MeV

หรือ


  • พลังงานที่ได้จากกระบวนการหลอมนิวเคลียสมีชื่อเรียกอีกอย่างว่า พลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์

  • กระบวนการหลอมนิวเคลียสให้พลังงานมากกว่ากระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสเมื่อเทียบต่อนิวคลีออนประมาณ 10 เท่า

  • นอกจากวัฏจักรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)แล้วยังมีวัฏจักรคาร์บอนที่เกิดขึ้นบนดาวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าดวงอาทิตย์ โดยมีกระบวนการดังนี้


ad