บทที่ 14 เคมีนิวเคลียร์ ( Nuclear Chemistry )

1. บทที่14เคมีนิวเคลียร์( Nuclear Chemistry ) ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร

2. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (NuclearRreactions) 1. การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive decay) Nucleus ที่ไม่เสถียร (unstable) จะเกิดการสลายตัวปล่อย อนุภาค (particles) และรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้เรียก กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) หรือ radioactive decay 2. การแปรนิวเคลียส (Nuclear transmutation) Nucleus อาจถูกระดมยิง (bombardment) ด้วยอนุภาคต่างๆ ทำให้เกิดการ เปลี่ยนแปลง

3. อนุภาค (Particles) ต่างๆ , =proton =neutron , =electron , =positron , =alpha 

4. ตารางเปรียบเทียบปฏิกิริยาเคมีกับปฏิกิริยานิวเคลียร์ตารางเปรียบเทียบปฏิกิริยาเคมีกับปฏิกิริยานิวเคลียร์

5. การดุลสมการนิวเคลียร์ (Balancing Nuclear Equations) - จำนวน p, n ซ้าย = ขวา ( atomic number และ mass number ) ตัวอย่างที่ 1 a)  + X X = b)  + X X = c)  + X X =

6. เสถียรภาพของนิวเคลียส (Nuclear Stability) : นิวเคลียสจะเสถียรหรือไม่ พิจารณาจากอัตราส่วนของ neutron : proton (n / p) ดังนี้ - ธาตุ atomic no. ต่ำ จะเสถียรถ้า n / p  1 - ธาตุ atomic no. สูงขึ้น จะเสถียรถ้า n / p > 1 เพราะต้องมี neutron มากขึ้นเพื่อต้านการผลักกันของ proton - ธาตุที่ nuclei มี p = 2, 8, 20, 50, 82, 126 จะเสถียรมากกว่า ( จำนวน 2, 8, 20, 50, 82, 126 นี้เรียกว่า เลขมหัศจรรย์ (magic number) พิจารณาจากจำนวน stable isotopes ของธาตุ ) - ธาตุที่มีจำนวน p, n เป็นเลขคู่ (even) เสถียรกว่าเลขคี่ (odd)

8. - ธาตุตั้งแต่ Z = 84 (Po) มี isotopes ทุกตัวเป็น radioactive (ไม่เสถียร) - isotope ของ Tc (Z = 43) , Pm (Z = 61) เป็น radioactive ทุกตัว - นิวเคลียสของธาตุที่อยู่นอกแถบเสถียรภาพ (belt of stability) ไม่เสถียร

9. พลังงานการยึดเหนียวนิวเคลียส ( Nuclear Binding Energy, NBE ) ความเสถียรของนิวเคลียส (nuclear stability) วัดได้จากพลังงานในการสลาย nucleus ออกเป็น p, n เรียกพลังงานนี้ว่า nuclear binding energy ซึ่งคำนวณ ได้จาก ผลต่างของมวลอะตอมของธาตุกับมวลของอนุภาค ( p + n ) ตัวอย่างที่ 2 จงคำนวณ NBE ของ มี atomic mass = 18. 9984 amu --- (1) จาก คำนวณ mass ของ 9 protons  1.0078 = 9. 0702 amu 10 neutron  1.0087 = 10.0870 amu รวม mass = 19.1572 amu --- (2) mass ต่างกัน = mass defect = m = (1) - (2) = 18. 9984 - 19.1572 amu = - 0.1588 amu

10. m นี้หมายถึง mass หายไปจะเปลี่ยนเป็นพลังงานปล่อยสู่สิ่งแวดล้อม (Exothermic) ตามสมการของ Einstein E = mc2 E = (m) c2 = (-0.1588 amu)(3 108 m/s)2 = -1.43  1016 amu. m2/s2 (1 amu. m2/s2 = 1.66  10-27 J) = (-1.43  1016)(1.66  10-27) E = -2.37  10-11 J E คือ พลังงานที่ใช้ในการสลายอะตอมออกเป็น n และ p = NBE หรืออาจกล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่าเป็นพลังงานที่คายออกมาเมื่อนำโปรตอนและ นิวตรอนมาหลอมรวมกัน (Fusion) เป็นนิวเคลียสของ จะเห็นว่าพลังงานที่ คายออกมาไม่มากนัก เพราะคิดแค่ 1 นิวเคลียส แต่หากคิดต่อ 1 โมล ของธาตุ จะพบว่าพลังงานที่คายออกมามหาศาล

11. 6.02  1023 อะตอม = 1 โมล = 18.9984 g E = (-2.37  10-11)(6.02  1023) E = 1.43  1013 J/mol = 1.43  1010 kJ/mol ถ้า mass defect สูง m ติดลบมาก = พลังงานสูง ถ้าเปรียบเทียบพลังงานที่ทำให้ nucleus เสถียรนี้ต้องคิดจากจำนวน nucleon (เลขมวล) NBE / nucleon = J / nucleon ( = 19 nucleon) = = -1.25  10-12 J / nucleon

12. ตัวอย่างที่ 3 จงคำนวณ NBE ของ มี atomic mass = 126. 9004 amu --- (1) คำนวณ mass ของ 53 protons  1.0078 = 53.4134 amu 74 neutron  1.0087 = 74.6438 amu รวม mass = 128.0572 amu --- (2) m = (1) - (2) = 126.9004 – 128.0572 = -1.1568 amu

13. พลังงาน E = (m) c2 = (-1.1568 amu)(3  108 m/s)2 = -1.04  1017 amu.m2/s2 NBE = (-1.04  1017 amu.m2/s2 )(1.66  10-27) J/atom = -1.73  10-10 J/atom (1 atom = 127 nucleon) = J/nucleon = -1.36  10 – 12 J/nucleon

14. กัมตรังสีในธรรมชาติ (Natural Radioactivity) - นิวเคลียสของธาตุที่อยู่นอก belt of stability ไม่เสถียร สามารถสลายตัว (radioactive decay) - นิวเคลียสของธาตุที่มี p > 83 ให้อนุภาค , รังสี EM 1.  - particle () 2.  - particle (electron) 3.  - ray (รังสี EM-แม่เหล็กไฟฟ้า) 4. positron - เมื่อปล่อยอนุภาค/รังสีแล้วได้ผลิตภัณฑ์ที่ไม่เสถียร จะสลายตัวต่อเนื่องกันไป เรียกว่า อนุกรมการสลายตัว (decay series) ตัวเริ่มต้น = parent (unstable) ผลิตภัณฑ์ = daughter ตัวสุดท้าย = end product (stable) เช่น อนุกรมการสลายตัวของ Uranium (Uranium decay series)

16. ธาตุกัมมันตรังสีสังเคราะห์ (Artificial Radioactivity) นิวเคลียสที่ไม่เสถียรตามธรรมชาติสลายตัวได้เองเป็น Natural radioactivity แต่เราสามารถสังเคราะห์หรือสร้างธาตุกัมมันตรังสีได้ โดยใช้กระบวนการ เปลี่ยนนิวเคลียสที่เกิดจากการยิงอนุภาค (bombardment) เข้าไปที่นิวเคลียส หนึ่งแล้วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นนิวเคลียสใหม่ เรียกว่า การแปรนิวเคลียส ( nuclear transmutation ) ยิง  ( หรือ ) ไปที่นิวเคลียสของ N +  + หรือ ( , p) หรือยิงด้วย neutron +  + หรือ ( n , p)

17. Nuclear transmutation เกิดเองไม่ได้ แต่ radioactive decay เกิดเองได้ (spontaneous) ไอโซโทปสังเคราะห์ (Artificial Isotope) : ผลิตภัณฑ์ของ nuclear transmutation อาจ stable หรือเป็น radioactive ( ถ้าเป็น radioactive ก็จะสลายต่อไป เช่น ) : ส่วนใหญ่ได้จากการยิงด้วย neutron ( ) ซึ่งสะดวก ไม่มีประจุ ไม่ถูก ต่อต้านโดยนิวเคลียสเป้าหมาย : ถ้าใช้อนุภาคอื่นแทน neutron จะมีแรงผลักระหว่างนิวเคลียสกับอนุภาค เช่น  , p จึงต้องเร่งความเร็ว เพื่อเพิ่มพลังงานให้เอาชนะแรงต้านจาก นิวเคลียส ด้วยเครื่องมือเร่งอนุภาค ( Particle accelerator )

25. ธาตุถัดจากยูเรเนียม (Transuranium Elements) : จาก nuclear transmutation ใช้ accelerator สังเคราะห์ธาตุจาก uranium (Z = 92) ได้ธาตุ Z > 92 จนถึง 109 เรียกธาตุกลุ่มนี้ว่า transuranium element ทั้งหมดเป็น radioactive +  + uranium neptunium

27. การแยกนิวเคลียส ( Nuclear Fission ) : การแตกตัวของนิวเคลียสหนัก (mass number > 200) ที่ไม่เสถียรได้นิวเคลียส ที่เล็กลง + นิวตรอน : ต้องมีการยิงนิวตรอนไปที่นิวเคลียสหนัก เช่น ยูเรเนียม : ให้พลังงานมากมาย (1 mole ของ U-235 ปล่อยพลังงาน 2.0  1013 J (ถ่านหิน 1 ตันให้พลังงาน 8  107 J)

28. Nuclear fission แบ่งเป็น 2 ประเภท 1 มวลของ U-235 ไม่ถึงจุดวิกฤต (subcritical) นิวตรอนที่ปล่อยจาก fission ขั้นแรกน้อย การเกิด fission ต่อไปจึงน้อย 2 มวลของ U-235 มากกว่าจุดวิกฤต นิวตรอนที่ปล่อยจาก fission ขั้นแรกจะยิงอะตอมอื่นๆที่อยู่ถัดไปจนเกิด ปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain reaction) ซึ่งไม่สามารถควบคุมได้ ใช้ใน atomic bomb เช่น U-235 หรือ Pu-239 ซึ่งมีมวลมากกว่าจุดวิกฤต (ระเบิด 1 ลูก  1 กิโลกรัม อำนาจทำลายล้างเทียบเท่ากับระเบิด TNT 20,000 ตัน)

29. เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ( Nuclear Reactors ) เป็นการนำ nuclear fission ไปใช้ประโยชน์ในทางสันติ โดยการนำพลังงาน ความร้อนไปผลิตกระแสไฟฟ้า หลักการ ต้องควบคุม chain reaction ให้ได้ มี 3 ประเภท 1. Light water reactors 2. Heavy water reactors 3. Breeder reactors

30. เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (Light Water Reactors) เป็นการยิง U–235 ด้วย slow neutron ทำให้เกิด fission ดีกว่า fast neutron โดยนิวตรอนที่เกิดจากปฏิกิริยา fission ของ U – 235 มีพลังงานสูงและความเร็ว สูงต้องทำให้ช้าลงโดยใช้ moderator เพื่อลดความเร็วของนิวตรอน คุณสมบัติของ moderator ที่ดี 1. เป็น fluid ทำหน้าที่ coolant ไปด้วย 2. มีความร้อนจำเพาะสูง 3. non–toxic ราคาไม่แพง (เพราะต้องใช้ปริมาณมาก) 4. ต้านทานการเกิด nuclear transmutation กลายเป็น radioactive isotope ไม่มีสารใดมีสมบัติดังกล่าวครบถ้วน แต่น้ำ นับว่ามีสมบัติใกล้เคียงที่สุดเมื่อ เทียบกับสารอื่น ดังนั้น Light water reactors เป็นโรงปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ ต้อง ใช้น้ำมาก จึงจำเป็นต้องอยู่ใกล้แหล่งน้ำ แม่น้ำหรือทะเลสาบ

32. เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนัก (Heavy Water Reactors) • เครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้จะใช้ Moderator เป็น heavy water (D2O) แทน H2O • หลักการ เนื่องจาก D2O ทำหน้าที่ลดความเร็วของนิวตรอนได้ไม่ดีเท่า H2O • ความเร็วของนิวตรอนจึง ลดลงไม่มาก จึงยังวิ่งเร็วและมีพลังงานสูง ทำให้ยิงถูกเป้าหมาย (นิวเคลียส U–235) ได้มากกว่า ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ไม่ต้อง ใช้แร่ยูเรเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง (enriched U (3–4 %) แต่ใช้เพียงแร่ยูเรเนียม ที่มีปริมาณของยูเรเนียมต่ำก็เพียงพอ (normal U–235 (0.7 %) ซึ่งมีราคาที่ไม่ แพงมาก

33. เครื่องปฏิกรณ์บรีดเดอร์ (Breeder Reactors) ตั้งต้นจาก U-238 (เป็น non–fission) ยิงด้วย fast neutron ได้ Pu-239 และเกิด นิวตรอนที่ไปเกิดปฏิกิริยา fission ไปยิงที่ U-238 และเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่เช่นนี้ ต่อไปจน U-238 เปลี่ยนไปเป็น Pu-239 ทั้งหมด ข้อเสีย 1. แพง 2. Pu-239 toxic มาก มี t1/2 = 24,400 ปี

34. การหลอมนิวเคลียส ( Nuclear Fusion ) : เป็นการหลอมรวมนิวเคลียสเล็กๆ ให้เป็นนิวเคลียสใหญ่ขึ้น ( ตรงข้ามกับ nuclear fission ) : ต้องเกิดที่อุณหภูมิ ( t ) สูงมากๆ เรียก thermonuclear reactions เช่น ในดวงอาทิตย์ t  15 ล้าน oC H รวมเป็น He ได้ตลอดเวลา   สำหรับธาตุที่เบา เสถียรภาพของนิวเคลียสจะเพิ่มตามเลขมวลที่เพิ่มขึ้น ดังนั้น ถ้านิวเคลียสของธาตุเบา 2 นิวเคลียสหลอมตัวกันเป็นนิวเคลียสเดียวที่ หนักกว่าเดิมและเสถียรกว่าเดิม จะมีการคายพลังงานออกมาเป็นจำนวนมาก

35. ข้อดี - ใช้ fuel ราคาถูกกว่า มีปริมาณมาก - เกิดของเสียที่เป็นกัมมันตรังสีน้อย (radioactive waste) ข้อเสีย - เกิด thermal pollution เพราะเกิดที่อุณหภูมิสูงมาก

36. ตัวอย่าง Hydrogen bomb ใช้ solid lithium deuteride (LiD) ขั้นที่ 1 nuclear fission ให้ heat 2 heat ทำให้เกิด nuclear fusion การประยุกต์ใช้งานไอโซโทปกัมมันตรังสี (Application of Isotopes) 1. แหล่งพลังงาน - nuclear power plant 2. อุตสาหกรรม - ลดการสึกหรอวงแหวนลูกสูบ 3. Tracer (ตัวติดตาม) : ใช้ radioactive isotope ศึกษาติดตามการเปลี่ยน แปลงของธาตุปกติ ในกระบวนการทางชีวภาพ

37. การเกษตร : 32P ในปุ๋ยฟอสเฟต 14CO2 การสังเคราะห์แสง การแพทย์ : 131 I ต่อม thyroid ผิดปกติ 4. ศึกษาโครงสร้างของสาร 5. รักษาโรค 60Co รักษามะเร็ง 131I รักษาต่อม thyroid 6. C - 14 คำนวณอายุวัตถุโบราณ อันตรายของกัมมันตรังสี(Hazards of Rradioactivity) ขึ้นกับ - ชนิดและปริมาณของรังสี - ส่วนของอวัยวะ (ทำลายเซลล์) - Nuclear fission products เช่น Sr-90 , Pu-239 ถ้ารั่วไหลอันตราย - การกำจัดกากนิวเคลียร์ ใส่ถังฝังใต้ทะเล / ใต้ดิน