Key Takeaways:
ฟิสิกส์นิวเคลียร์ เป็นหัวข้อสำคัญที่ศึกษาโครงสร้าง สมบัติ และการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสภายในอะตอม เนื้อหาครอบคลุมตั้งแต่สัญลักษณ์นิวเคลียร์ สมการนิวเคลียร์ การสลายตัวแบบแอลฟา บีตา และแกมมา ไปจนถึงครึ่งชีวิต กัมมันตภาพ พลังงานยึดเหนี่ยว และส่วนพร่องมวล นอกจากนี้ ฟิสิกส์นิวเคลียร์เป็นเนื้อหาที่พบได้บ่อยในข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ โดยผู้เรียนควรเข้าใจกฎอนุรักษ์เลขมวลและประจุ ความสัมพันธ์ E = mc^2 สมการการสลาย N = N_0 \left(\dfrac{1}{2}\right)^{t/T} ตลอดจนความแตกต่างระหว่างปฏิกิริยาฟิชชันและฟิวชัน เพื่อให้สามารถวิเคราะห์โจทย์ คำนวณพลังงาน และเชื่อมโยงความรู้กับการประยุกต์ใช้ด้านพลังงาน การแพทย์ และการหาอายุวัตถุโบราณได้อย่างถูกต้อง
ฟิสิกส์นิวเคลียร์ (Nuclear Physics) เป็นการศึกษาโครงสร้าง สมบัติ และปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นภายในนิวเคลียสของอะตอม แม้นิวเคลียสจะมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดของอะตอมทั้งหมด แต่กลับเป็นแหล่งรวมมวลเกือบทั้งหมดและเป็นต้นกำเนิดของพลังงานมหาศาล การเข้าใจหลักการของฟิสิกส์นิวเคลียร์ไม่เพียงแต่ช่วยให้ทำคะแนนสอบในสนามสำคัญอย่าง A-Level ฟิสิกส์ ได้ดีขึ้นเท่านั้น แต่ยังเป็นพื้นฐานสำคัญในการเข้าใจเทคโนโลยีพลังงานและการแพทย์ในปัจจุบันอีกด้วย
สมัครเรียนคอร์ส ฟิสิกส์ ม.ปลาย : ฟิสิกส์นิวเคลียร์ กับ OnDemand
Table of Contents
นิวเคลียสคืออะไร
สสารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอม ภายในอะตอมมีนิวเคลียสอยู่ตรงกลางและมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่โดยรอบ แม้นิวเคลียสจะมีขนาดเล็กมาก แต่กลับเป็นบริเวณที่รวมมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมไว้
ภายในนิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคสองชนิด ได้แก่ โปรตอน ซึ่งมีประจุบวก และ นิวตรอน ซึ่งไม่มีประจุ อนุภาคทั้งสองเรียกรวมกันว่า นิวคลีออน (Nucleon) การศึกษาสมบัติ การเปลี่ยนแปลง และพลังงานที่เกี่ยวข้องกับนิวเคลียสเรียกว่า “ฟิสิกส์นิวเคลียร์”
สัญลักษณ์นิวเคลียร์
นิวเคลียสของธาตุเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์สากลดังนี้
{}_{Z}^{A}\text{X}โดยที่ \text{X} คือ สัญลักษณ์ของธาตุ
Z คือ เลขอะตอม (Atomic number) หรือจำนวนโปรตอน
A คือ เลขมวล (Mass number) หรือจำนวนโปรตอนรวมกับนิวตรอน
ดังนั้น จำนวนนิวตรอน N หาได้จากสมการ N = A – Z
สมการนิวเคลียร์
เมื่อเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ การเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นที่นิวเคลียสโดยตรง ซึ่งต้องเป็นไปตามกฎอนุรักษ์เลขนิวคลีออน (เลขมวล) และกฎอนุรักษ์ประจุ (เลขอะตอม) หากเขียนปฏิกิริยาทั่วไปเป็น
{}_{Z_1}^{A_1}\text{X} + {}_{Z_2}^{A_2}\text{Y} \rightarrow {}_{Z_3}^{A_3}\text{P} + {}_{Z_4}^{A_4}\text{Q}- กฎอนุรักษ์มวล: ผลรวมเลขมวลก่อนและหลังปฏิกิริยาต้องเท่ากัน
- กฎอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า: ผลรวมเลขอะตอมก่อนและหลังปฏิกิริยาต้องเท่ากัน
อย่างไรก็ตาม มวลรวมก่อนและหลังปฏิกิริยาอาจไม่เท่ากัน เนื่องจากมวลที่หายไปสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานได้ตามสมการมวล-พลังงานของไอน์สไตน์
E = mc^2เมื่อ E คือ พลังงาน, m คือ มวลที่เปลี่ยนไป และ c คือ อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ
การสลายกัมมันตรังสี
นิวเคลียสที่ไม่เสถียร (Unstable nucleus) จะปลดปล่อยรังสีหรืออนุภาคออกมาเพื่อปรับตัวให้เข้าสู่สถานะที่เสถียรยิ่งขึ้น เรียกว่า การสลายกัมมันตรังสี (Radioactive decay) ซึ่งการสลายที่สำคัญมี 3 ชนิด ดังนี้
การสลายแบบแอลฟา (\alpha)
เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสปล่อยอนุภาคแอลฟา นั่นคือ นิวเคลียสของฮีเลียม ({}_{2}^{4}\text{He}) ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัว และนิวตรอน 2 ตัว
{}_{Z}^{A}\text{X} \rightarrow {}_{Z-2}^{A-4}\text{Y} + {}_{2}^{4}\text{He}ผลจากการสลายจะทำให้เลขมวลลดลง 4 และเลขอะตอมลดลง 2
การสลายแบบบีตา (\beta)
ในการสลายแบบบีตาลบ (\beta^-) นิวตรอนภายในนิวเคลียสจะเปลี่ยนเป็นโปรตอน พร้อมปล่อยอิเล็กตรอน ({}_{-1}^{0}\text{e}) และแอนตินิวทริโน (\bar{\nu})
{}_{Z}^{A}\text{X} \rightarrow {}_{Z+1}^{A}\text{Y} + {}_{-1}^{0}\text{e} + \bar{\nu}ผลจากการสลายจะทำให้เลขมวลคงเดิม แต่เลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1
การสลายแบบแกมมา (\gamma)
เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสที่อยู่ในสถานะกระตุ้น (มีพลังงานสูง) ปรับตัวลงสู่สถานะพื้น โดยปล่อยรังสีแกมมา ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูง
{}_{Z}^{A}\text{X}^* \rightarrow {}_{Z}^{A}\text{X} + \gammaการสลายชนิดนี้ไม่ทำให้ทั้งเลขมวลและเลขอะตอมเปลี่ยนแปลง
ครึ่งชีวิตและกัมมันตภาพ
ครึ่งชีวิต (Half-life: T หรือ t_{1/2}) คือ ระยะเวลาที่สารกัมมันตรังสีใช้ในการสลายตัวจนเหลือจำนวนนิวเคลียสหรือมวลเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเริ่มต้น หากเริ่มต้นด้วยนิวเคลียสจำนวน N_0 เมื่อเวลาผ่านไป t ปริมาณนิวเคลียสที่เหลือ N คำนวณได้จาก
N = N_0 \left(\dfrac{1}{2}\right)^{\frac{t}{T}}หากสารกัมมันตรังสีชนิดหนึ่งมีมวลเริ่มต้น 80 กรัม และมีครึ่งชีวิต 5 ปี เมื่อเวลาผ่านไป 15 ปี คิดเป็น 3 เท่าของครึ่งชีวิต จะเหลือมวล
m = 80 \left(\dfrac{1}{2}\right)^3 = 80 \times \dfrac{1}{8} = 10 กรัม
นอกจากนี้ จำนวนสารยังสามารถเขียนอธิบายในรูปการลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียล (Exponential decay) ได้ว่า
N = N_0 e^{-\lambda t}โดยที่ \lambda คือ ค่าคงตัวการสลาย (Decay constant) ซึ่งมีความสัมพันธ์กับครึ่งชีวิตตามสมการ
\lambda T = \ln 2 \approx 0.693กัมมันตภาพ (Activity: A) หมายถึง อัตราการสลายตัวของนิวเคลียสต่อหนึ่งหน่วยเวลา มีความสัมพันธ์กับจำนวนนิวเคลียสดังนี้
A = \lambda Nหน่วยของกัมมันตภาพในระบบ SI คือ เบ็กเคอเรล (\text{Bq}) โดย 1\text{ Bq} หมายถึง มีการสลายตัว 1 ครั้งต่อวินาที
พลังงานยึดเหนี่ยวและส่วนพร่องมวล
แม้ว่าโปรตอนภายในนิวเคลียสจะมีประจุไฟฟ้าบวกเหมือนกันและเกิดแรงผลักทางไฟฟ้าอย่างรุนแรง แต่อนุภาคเหล่านี้ยังรวมตัวอยู่ด้วยกันได้เนื่องจากมี แรงนิวเคลียร์ (Nuclear force) ซึ่งเป็นแรงดึงดูดระยะสั้นที่เข้มแข็งมากทำหน้าที่ยึดโปรตอนและนิวตรอนไว้ด้วยกัน
พลังงานที่ต้องใช้ในการแยกนิวคลีออนทั้งหมดออกจากกันเรียกว่า พลังงานยึดเหนี่ยว (Binding energy: E_B) เมื่อโปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียส มวลของนิวเคลียสจะน้อยกว่าผลรวมของมวลอนุภาคก่อนรวมตัว ส่วนต่างของมวลเรียกว่า ส่วนพร่องมวล
\Delta m = (Z m_p + N m_n) – m_{\text{nucleus}}พลังงานยึดเหนี่ยวจึงหาได้จาก E_B = \Delta m c^2
นิวเคลียสที่มีค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน (E_B/A) สูง จะแสดงถึงความเสถียรภาพของนิวเคลียสที่มากยิ่งขึ้น
ฟิชชันและฟิวชัน
ฟิชชัน (Nuclear Fission)
ฟิชชัน คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสธาตุหนักแตกตัวออกเป็นนิวเคลียสขนาดเล็กลง พร้อมทั้งปลดปล่อยนิวตรอนและพลังงานมหาศาลออกมา เช่น ปฏิกิริยาการยิงนิวตรอนใส่อยูเรเนียม-235
{}_{92}^{235}\text{U} + {}_{0}^{1}\text{n} \rightarrow {}_{56}^{144}\text{Ba} + {}_{36}^{89}\text{Kr} + 3{}_{0}^{1}\text{n} + \text{พลังงาน}นิวตรอนใหม่ที่เกิดขึ้นสามารถไปชนกับนิวเคลียสยูเรเนียมอื่น ๆ ที่อยู่ใกล้เคียง ทำให้เกิดการแตกตัวต่อเนื่องเป็นวงกว้าง เรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain reaction) ซึ่งนำไปประยุกต์ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
ฟิวชัน (Nuclear Fusion)
ฟิวชัน คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสธาตุเบาหลอมรวมกันกลายเป็นนิวเคลียสที่หนักขึ้น พร้อมปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล เช่น ปฏิกิริยารวมตัวของไอโซโทปไฮโดรเจน
{}_{1}^{2}\text{H} + {}_{1}^{3}\text{H} \rightarrow {}_{2}^{4}\text{He} + {}_{0}^{1}\text{n} + \text{พลังงาน}ปฏิกิริยาฟิวชันเป็นกระบวนการหลักที่สร้างพลังงานให้กับดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ในจักรวาล ส่วนฟิชชันถูกนำมาใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
การประยุกต์ใช้ฟิสิกส์นิวเคลียร์
ความรู้ด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์ถูกนำไปใช้ในหลายด้าน เช่น การผลิตพลังงานไฟฟ้า การวินิจฉัยและรักษาโรค การฆ่าเชื้ออุปกรณ์ทางการแพทย์ การตรวจสอบชิ้นงานในอุตสาหกรรม และการหาอายุวัตถุโบราณ
ตัวอย่างสำคัญคือการใช้คาร์บอน-14 ซึ่งมีครึ่งชีวิตประมาณ 5,730 ปี เมื่อสิ่งมีชีวิตตาย ปริมาณคาร์บอน-14 จะค่อย ๆ ลดลง นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถวัดปริมาณที่เหลือเพื่อประมาณอายุของไม้ กระดูก หรือซากสิ่งมีชีวิตในอดีตได้
สรุป
ฟิสิกส์นิวเคลียร์ช่วยอธิบายโครงสร้างและการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียส ตั้งแต่การสลายกัมมันตรังสี ครึ่งชีวิต และพลังงานยึดเหนี่ยว ไปจนถึงปฏิกิริยาฟิชชันและฟิวชัน แม้นิวเคลียสจะมีขนาดเล็กมาก แต่พลังงานและปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นภายในกลับมีบทบาทสำคัญต่อธรรมชาติ เทคโนโลยี และการดำเนินชีวิตของมนุษย์
เรียนเรื่องฟิสิกส์นิวเคลียร์ ม.6 กับ OnDemand
สำหรับน้อง ๆ ม.6 ที่ต้องการปูพื้นฐานเรื่องฟิสิกส์นิวเคลียร์หรือเตรียมตัวสอบเรื่องนี้อย่างมีประสิทธิภาพ การเรียนกับ OnDemand ในคอร์ส ฟิสิกส์ ม.ปลาย : ฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค ก็เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาได้ง่ายขึ้น ด้วยเทคนิคการสอนที่เน้นการคิดวิเคราะห์ สรุปเนื้อหาแบบกระชับ พร้อมตะลุยโจทย์
แทรก Youtube ฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค ม.6 | ตัวอย่างคอร์สเรียน ฟิสิกส์ ม.ปลาย | OnDemand
นอกจากนี้ สำหรับน้อง ๆ ที่ต้องการเตรียมตัวสอบเข้ามหาวิทยาลัย ทาง OnDemand ยังมีคอร์ส V-Series Physics TCAS เล่ม 7 : กลุ่มฟิสิกส์ยุคใหม่ ให้เลือกด้วยเช่นกัน ซึ่งน้อง ๆ จะได้เรียนและตะลุยโจทย์เรื่องฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาคแบบเข้มข้นในคอร์สนี้ เพื่อเตรียมพร้อมสอบแข่งขันได้อย่างมั่นใจมากขึ้น
สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม
- Add Line: Ondemand Education
- โทรศัพท์: 02-251-9456 (08.00-20.00)
อ้างอิง
- Serway, R. A., Jewett, Jr., J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. (9th ed). BROOKS/COLE CENGAGE Learning.
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับฟิสิกส์นิวเคลียร์ (FAQs)
Q1: ไอโซโทปของธาตุเดียวกันแตกต่างกันอย่างไร
A1: ไอโซโทปเป็นนิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนหรือเลขอะตอม Z เท่ากัน จึงเป็นธาตุชนิดเดียวกัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน ทำให้เลขมวล A แตกต่างกัน เช่น ไฮโดรเจน ({}_{1}^{1}\text{H}), ดิวเทอเรียม ({}_{1}^{2}\text{H}) และทริเทียม ({}_{1}^{3}\text{H}) มีโปรตอน 1 ตัวเท่ากัน แต่มีนิวตรอน 0, 1 และ 2 ตัว ตามลำดับ
Q2: รังสีแอลฟา บีตา และแกมมาแตกต่างกันอย่างไร
A2: รังสีแอลฟาเป็นอนุภาคที่ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัว และนิวตรอน 2 ตัว มีอำนาจทำให้เกิดไอออนสูง แต่ทะลุทะลวงต่ำ รังสีบีตาเป็นอิเล็กตรอนหรือโพซิตรอนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส มีความสามารถทะลุทะลวงปานกลาง ส่วนรังสีแกมมาเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูง ไม่มีมวลและไม่มีประจุ จึงทะลุทะลวงได้ดีที่สุด โดยเรียงความสามารถในการทะลุทะลวงได้เป็น \gamma > \beta > \alpha
Q3: ครึ่งชีวิตของสารกัมมันตรังสีหมายถึงอะไร
A3: ครึ่งชีวิตคือเวลาที่สารกัมมันตรังสีใช้ในการสลายตัวจนมีจำนวนอนุภาคหรือมวลเหลือครึ่งหนึ่งจากปริมาณเริ่มต้น เมื่อผ่านไปหนึ่งครึ่งชีวิตจะเหลือ 50\% ผ่านไปสองเท่าของครึ่งชีวิตจะเหลือ 25\% และผ่านไปสามเท่าของครึ่งชีวิตจะเหลือ 12.5\% โดยคำนวณได้จากสมการ
N = N_0 \left(\dfrac{1}{2}\right)^{\frac{t}{T}}เมื่อ N_0 คือจำนวนเริ่มต้น, N คือจำนวนที่เหลือ, t คือเวลาที่ผ่านไป และ T คือครึ่งชีวิต
