slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
?????????????? PowerPoint Presentation
Download Presentation
??????????????

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 41

?????????????? - PowerPoint PPT Presentation


  • 237 Views
  • Uploaded on

เคมีนิวเคลียร์. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ 1. ธาตุอาจเปลี่ยนจากธาตุหนึ่งไปเป็นอีกธาตุหนึ่ง 2. เกี่ยวข้องกับอนุภาคภายในนิวเคลียส 3. มีการดูดหรือคายพลังงานจำนวนมาก 4. อัตราของปฏิกิริยาไม่ขึ้นอยู่กับปัจจัยภายนอก. ปฏิกิริยาธรรมดา 1. ไม่เกิดธาตุใหม่ 2. ปกติจะเกี่ยวข้องเพียง e- ชั้นนอกสุด

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 '??????????????' - iokina


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
slide2
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
slide3
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
slide4

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

slide5
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

slide6
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
slide7
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
slide8
การสลายกัมมันตรังสี
  • Nuclide ที่มีอัตราส่วน n : p อยู่นอกขอบเขตแถบเสถียร จะเกิดการคายกัมมันตรังสีขึ้นเองได้ โดยคายอนุภาคย่อยตั้งแต่ 1 อนุภาคขึ้นไป หรือคายรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
  • ชนิดของการสลาย ปกติขึ้นอยู่กับอัตราส่วน n : p ที่อยู่ข้างบน ล่างหรือขวาของแถบเสถียร
slide9

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

slide10
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

nuclide
ความสามารถในการทุทะลวงของอนุภาคและรังสี เป็นสัดส่วนกับพลังงานของ nuclide นั้น
  • อนุภาคแอลฟา - อำนาจในการทะลุทะลวงต่ำ ไม่สามารถทำลายหรือทะลุผ่านผิวหนังได้ แต่สามารถทำลายเนื้อเยื่อภายในที่ว่องไวได้ถ้าหายใจเอาเข้าไปในร่างกาย
  • อนุภาคเบตาและโพสิตรอน - มีอำนาจทะลุทะลวงมากกว่าอนุภาคแอลฟาที่หนักกว่าประมาณ 100 เท่าและมีความเร็วในการเคลื่อนที่ช้ากว่า ซึ่งมีอำนาจทะลุผ่านแผ่น Al ได้ 0.3 cm และทำให้ผิวหนังไหม้แต่ไม่สามารถเข้าถึงอวัยวะภายในได้
  • รังสีแกมม่าพลังงานสูง - มีอำนาจทะลุทะลวงสูงมาก สามารถทำลายผิวหนังและอวัยวะภายในได้ มีความเร็วเท่ากับแสง
slide12
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

slide13
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

slide14

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

slide15

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

slide16
การแตกสลายตัวของนิวไคลด์กัมมันตรังสีการแตกสลายตัวของนิวไคลด์กัมมันตรังสี
  • นิวไคลด์กัมมันตรังสีมีสมบัติเฉพาะ คือ มีการแตกสลายและการแผ่รังสีออกมาตลอดเวลา
  • อัตราการแตกสลายตัวนี้ไม่ขึ้นอยู่กับอิทธิพลต่าง ๆ เช่น สถานะทางเคมี อุณหภูมิ ความดัน และอายุของนิวเคลียส
  • อัตราการแตกสลายตัวเป็นปฏิภาคโดยตรงกับจำนวนนิวไคลด์กัมมันตรังสีในขณะนั้นและเป็นจลนศาสตร์อันดับหนึ่ง
slide17
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)
slide18
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
half life t 1 2
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

slide21

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
slide22
การตรวจสอบและการวัดกัมมันตภาพรังสีการตรวจสอบและการวัดกัมมันตภาพรังสี
  • กัมมันตภาพรังสีไม่มีกลิ่น เสียง และมองไม่เห็น แต่เมื่อรังสีวิ่งผ่านสสารหรือวัตถุที่ขวางกั้นและมีการถ่ายเทพลังงาน จะทำให้เกิดไอออไนเซชัน หรือการเร้าขึ้น ซึ่งเป็นรากฐานในการประดิษฐ์เครื่องมือตรวจวัดรังสี
  • การตรวจรังสีด้วยฟิล์ม
  • Henry Becquerel ได้สังเกตเห็นจุดดำๆ บนฟิล์มที่ใช้ห่อผลึกเกลือยูเรเนียม โดยที่รังสีจะกระตุ้นให้เกิดเกลือเฮไลด์ของเงินในฟิล์ม อนุภาคของเกลือเฮไลด์ที่ถูกรังสีกระตุ้นจะถูกรีดิวซเป็นเงินได้ดีกว่าอนุภาคที่ไม่ถูกกระตุ้นและจะปรากฏเป็นสีดำบนฟิล์ม จากความเข้มที่ปรากฏบนฟิล์มสามารถบอกปริมาณรังสีได้
slide23
เครื่องวัดรังสีแบบคลาวด์เชมเบอร์ (cloud chamber)
  • เครื่องมือชนิดนี้อาศัยหลักที่ว่า เมื่อรังสีจากสารกัมมันตรังสีผ่านไปในอากาศที่อิ่มตัวด้วยไอน้ำจะเกิดไอออไนเซชันเป็นคู่ไอออนและไอน้ำที่อิ่มตัวจะกลั่นตัวเป็นหยดน้ำเล็กๆ เกาะที่ไอออนทำให้เกิดเป็นทางขาวๆ ให้เห็นเป็นทางเดินรังสี
    • ทิศทางเดินของอนุภาคของรังสีแอลฟา จะเป็นทางเดินที่สั้นตรงและหนา
    • อนุภาคเบตาจะมีทางเดินที่ยาวและบางกว่า
slide24
เครื่องมือวัดรังสีแบบไกเกอร์มูลเลอร์ (Geiger-Muller)
  • ประกอบด้วยหัววัดรังสีที่เรียกว่า หลอดไกเกอร์มูลเลอร์ ซึ่งเป็นหลอดแก้วที่อยู่ในกระบอกโลหะ ภายในหลอดแก้วบรรจุแก๊สที่มีความดันต่ำ เช่น อาร์กอนปนกับไอของแอลกอฮอล์ ตรงกลางหลอดจะมีลวดโลหะเส้นเล็กๆ ทำหน้าที่เป็นขั้วบวก ส่วนกระบอกโลหะเป็นขั้วลบ ขั้วทั้งสองจะต่อไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงมาก เมื่อทำการวัดรังสีอนุภาคที่มีประจุจะไอออไนส์แก๊สภายในหลอดให้อิเล็กตรอนและไอออนบวก อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะวิ่งด้วยความเร็วสูงไปยังขั้วบวก เมื่ออิเล็กตรอนและไอออนบวกวิ่งไปยังขั้วทั้งสองจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นซึ่งจะต่อเข้ากับเครื่องขยายและเครื่องนับรังสีเพื่อบอกปริมาณรังสีออกมาเป็นตัวเลข
slide26
เครื่องวัดรังสีแบบซินทิลเลชัน (Scintillation Counter))
  • สร้างขึ้นโดยอาศัยหลักการที่รังสีไปกระทำกับสารเรืองแสง เช่น ZnS แล้วทำให้เกิดแสงประกายวาบและวัดปริมาณรังสีจากการนับจำนวน scintillation บนฉากเรืองแสงที่อยู่ในห้องมืด
  • ต่อมามีการประดิษฐ์เครื่องมือหลอดไวแสงที่เรียกว่า photomultiplier tube ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนแสงที่เกิดจากรังสีให้กลายเป็นกระแสไฟฟ้าจำนวนน้อยๆ และถูกส่งไปยังเครื่องขยายและเข้าไปยังส่วนประกอบทางอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าไปเป็นตัวเลขที่บอกปริมาณรังสี
slide27
เครื่องเร่งอนุภาค
  • เครื่องเร่งตามแนวตรง (Linear accelerators)
  • เครื่องเร่งตามแนวตรงอย่างง่ายประกอบด้วยท่อทรงกระบอกทำหน้าที่เป็นอิเล็กโตรด ท่อทั้งหมดที่เป็นเลขคู่ต่อกับลวดตัวนำเส้นหนึ่ง ส่วนท่อเลขคี่ก็ต่อกับลวดตัวนำแล้วนำลวดตัวนำทั้งสองมาต่อกับเครื่องสลับความถี่ที่มีความถี่สูง ในขณะที่อิเล็กโตรดที่เป็นเลขคี่ติดลบ อิเล็กโตรดที่เป็นเลขคู่จะเป็นบวกและสลับกันไปตลอดเวลา
slide28
สำหรับอนุภาคที่ต้องการจะเร่ง จะต้องทำให้เป็นไอออนเสียก่อน เป็นต้นว่าต้องการเร่งโปรตอนจะต้องทำให้อะตอมของไฮโดรเจนเป็นไอออนบวกอนุภาคก็จะมีความเร็วคงที่ เพราะสนามคงที่แต่จะมีการเร่งความเร็วขึ้นตรงช่องว่างระหว่างทรงกระบอก ฉะนั้นทันทีที่โปรตอนเคลื่อนที่พ้นกระบอกที่1 กระบอกที่2 จะเป็นลบและกระบอกที่1จะกลับเป็นบวกความเป็นบวกและลบจะสลับกันไปตลอดความยาวของเครื่องเร่ง พลังงานทั้งหมดของโปรตอนที่เพิ่มขึ้นเป็นผลบวกของพลังงานส่วนที่เพิ่มขึ้นทั้งหมดในขณะที่มีความเร่งในช่องว่างระหว่างกระบอกตลอดแนว
slide29

เนื่องจากความเร็วของโปรตอนเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามระยะทางที่เพิ่มขึ้นในขณะที่ความถี่ของการสลับคงที่ เพราะฉะนั้นความยาวของกระบอกจะยาวขึ้นเรื่อยๆ ทั้งนี้เพื่อจะให้โปรตอนผ่านพ้นกระบอกต่างๆ ในเวลาเท่ากัน

  • เครื่องเร่งตามแนวตรงสำหรับโปรตอน
circular accelerators
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
slide31

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

  • เครื่องไซโคลตรอน
slide32

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

slide33

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

slide34

เครื่องโปรตอน-ซินโครตรอน

เมื่อไอออนได้พลังงานตามต้องการแล้วก็สามารถนำมาใช้ทำปฏิกิริยนิวเคลียร์ต่อไปและเครื่องเร่งก็พร้อมที่จะเร่งไอออนกลุ่มต่อไป ซึ่งแต่ละครั้งอาจใช้เวลาประมาณ 6 วินาที เครื่องซินโครตรอนสามารถเร่งอนุภาคให้มีพลังงานได้ถึง 70 GeV (70 gigaelectronvolts)

nuclear fission
ปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียร์ (Nuclear Fission)
  • isotope ของธาตุบางชนิด ที่มีเลขอะตอม (Z) มากกว่า 80 สามารถเกิดปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียร์ซี่งจะให้ nuclide ที่มีมวลปานกลางและคายนิวตรอนตั้งแต่ 1 นิวตรอนขึ้นไป
  • บางปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียร์ เกิดขึ้นได้เอง บางปฏิกิริยาต้องใช้พลังงานกระตุ้นโดยการยิงอนุภาค
  • นิวเคลียร์สามารถแยกได้หลายวิธี ซึ่งจะให้พลังงานออกมาอย่างมหาศาล
slide36

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

slide37
พลังงานยึดเหนี่ยว = ปริมาณพลังงานที่ให้เข้าไปทำให้นิวเคลียสแตกสลายไปเป็นอนุภาคย่อยของอะตอม
  • อะตอมที่มีเลขมวล (A) ปานกลาง จะมีพลังงานยึดเหนี่ยวสูงสุด
  • มีความเสถียรมาก ( Fe)
  • ปฏิกิริยาการแยกนิวเคลียร์ของอะตอมหนักเป็นปฏิกิริยาดูดพลังงาน

56

26

slide38
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

nuclear fusion
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

slide40
ดังนั้น พลังงานแสงอาทิตย์จริง ๆ เกิดจากพลังงานการหลอมนิวเคลียร์ เป็นพลังงานที่ไม่มีวันหมด ในอนาคต่อไป เชื้อเพลิงฟอสซิล จะถูกทดแทนด้วยพลังงานการหลอมนิวเคลียร์
slide41

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