เคมนี วิ เคลยี รเ์ บ้อื งตน้วิชาเคมีสาหรับครูวทิ ยาศาสตร์ 2 1005211อ. วาทนิ ี จนั มีมหาวิทยาลยั ราชภัฏบา้ นสมเด็จเจ้าพระยา
บคุ คลทเี่ กยี่ วขอ้ งกบั ธาตุกัมมันตรังสี •1896: Becquerel ไดค้นพบโดยบงั เอิญวา่ uranyl crystals นัน้ มกี ารแผร่ ังสที ่ไี มส่ ามารถมองเห็นได้ซงึ่ ไปตกกระทบบน แผ่นฟลิ ม์ •1898: Marie และ Pierre Curie คน้ พบธาตุ polonium (Z=84) และ radium (Z = 88) ซงึ่ เปน็ ธาตุกมั มันตรงั สี •1903: Becquerel และ ครอบครวั Curie ได้รับรางวัล Nobel prize ในสาขาฟสิ กิ ส์จากผลงานการศึกษาเก่ียวกับกมั มนั ตรังสี • 1911: Marie Curie ได้รับรางวัล Nobel prizeคร้ังทส่ี อง ใน สาขาวิชาเคมี จากการค้นพบธาตุ polonium และ radium.
บุคคลทเ่ี กย่ี วขอ้ งกบั ธาตกุ มั มนั ตรงั สีhttp://io9.com/seriously-scary-radioactive-consumer-products-from-the-498044380
ความหมายของธาตกุ มั มันตรงั สีกัมมันตภาพรังสี (radioactive element) คือ ปรากฏการณ์ทธ่ี าตแุ ผ่รงั สไี ด้เองอยา่ งต่อเนือ่ งธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) คอื ธาตพุ ลังงานสูงกลมุ่ หนึ่งทส่ี ามารถแผร่ ังสี แลว้กลายเป็นอะตอมของธาตุใหม่ได้ เนอื่ งจากนวิ เคลยี สของอะตอมไม่เสถยี ร ในนวิ เคลยี สของธาตปุ ระกอบดว้ ยโปรตอนซ่งึ มีประจบุ วกและ นวิ ตรอนซงึ่ เปน็ กลางทางไฟฟา้ สัดสว่ นของจานวนโปรตอนต่อจานวนนวิ ตรอนไมเ่ หมาะสมจนทาใหธ้ าตนุ นั้ ไม่เสถียร ธาตนุ น้ั จงึ ปลอ่ ยรงั สอี อกมาเพ่ือปรบั ตวั เองให้เสถยี ร
ปฏิกิรยิ าเคมี ปฏิกริ ิยานวิ เคลียร์ตวั อยา่ งเช่นปฏิกิริยาการเกิดน้า ตวั อย่างเชน่ ปฏิกริ ยิ านิวเคลยี ร์ฟิชชนัH2(g) + O2(g) H2O(l) U + n + + 3 nKr Ba235 1 92 141 1 0 92 0 36 56เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนในอะตอมหรือในพันธะ เกีย่ วขอ้ งกบั โปรตอน นิวตรอน อเิ ล็กตรอนเท่าน้ัน รวมถงึ อนุภาคอนื่ ๆ ในนวิ เคลยี สมีการสร้างหรือสลายพันธะระหว่างอะตอม ได้ เกิดการเปล่ียนแปลงที่นิวเคลียส จึงอาจทาให้เกิดธาตุใหม่ผลิตภัณฑ์เป็นสารประกอบใหม่ แต่ไม่มีธาตุใหม่ ขึน้ ได้เกิดข้นึมวลสารกอ่ นและหลังทาปฏิกริ ยิ ามีค่าเท่ากนั มวลสารก่อนและหลังทาปฏิกิริยาไม่จาเปน็ ต้องมคี า่ เท่ากันมีการคายหรือดูดพลงั งานเพยี งเล็กน้อย มวลสารท่ีหายไปจะทาให้ มีการคายหรือดูดพลังงานใน ปริมาณมากอัตราการเกิดปฏิกิริยาข้ึนกับอุณหภูมิ ความดัน อัตราการเกิดปฏิกิริยาไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ความดัน และความเขม้ ข้น และตวั เรง่ ปฏิกริ ยิ า ตัวเร่งปฏิกิริยา ธาตุกัมมันตรังสีจึงสามารถแผ่รังสีออกมา ไดเ้ อง โดยไม่จาเปน็ ต้องได้รับการกระต้นุ
สเถียรภาพของนิวเคลยี ร์การพิจารณาถงึ ความเสถียรของไอโซโทปของธาตุต่างๆ ไดจ้ าก เงือ่ นไขตอ่ ไปนี้1. เลขมหศั จรรย์ นวิ เคลยี สของอะตอมที่มจี านวนโปรตอนหรอื จานวน นิวตรอนเทา่ กบั 2 ,8,20,50,82 หรอื 126 ซง่ึ เรียกวา่ เลขมหศั จรรย์ จะเป็นนิวเคลียสท่ีเสถยี ร เช่น จะไม่ เกิดการสลายตัวใด ๆ2. จานวนโปรตอนและนิวตรอนเปน็ เลขคู่ ธาตุที่มจี านวนโปรตอนและ นิวตรอนเปน็ เลขคู่ จะมีความเสถียรมากกวา่ เลขคี่
สเถียรภาพของนิวเคลยี ร์การพจิ ารณาถึงความเสถยี รของไอโซโทปของธาตตุ า่ งๆ ไดจ้ าก เง่ือนไขตอ่ ไปนี้3. ไอโซโทปทั้งหมดของธาตุทม่ี เี ลขเชิงอะตอมสูงกวา่ 83 จะเปน็ ไอโซโทปกัมมนั ตรงั สแี ละไอโซโทปทง้ั หมดของธาตเุ ทคนีเซยี ม (Tc, เลขเชงิ อะตอม (Z) = 43) และธาตโุ พรมเี ทยี ม(Pm, Z = 61) จะเปน็ ไอโซโทปกัมมันตรงั สีเชน่ กนั สาหรบั นิวไคลดท์ ไ่ี มเ่ สถยี ร สลายตัวและปลอ่ ยอนุภาคแอลฟา อนุภาคบีตา อนภุ าคโพซิตรอน หรือการจับยดื อเิ ลก็ ตรอน (Electroncapture)
สเถยี รภาพของนวิ เคลียร์เสถยี รภาพของอะตอมแสดงในภาพท่ี โดยนวิไคลดท์ ่เี สถยี รจะมอี ตั ราส่วนจานวนนวิ ตรอนตอ่โปรตอน(N) =1 อย่บู นเสน้ กราฟซึ่งเรียกวา่ เสน้เสถียรภาพZ N = 1 จงึ มีความเสถยี ร เชน่ 20 Ne มี ส่วZนธาตกุ ัมมันตรังสีจะอยู่ 10ไมเ่ ปน็ ธาตกุ ัมมันตรังสีเหนือ หรือใตเ้ ส้นเสถียรภาพ จึงพยายามจะปรับสดั สว่ นของโปรตอนและนิวตรอนใหเ้ สถียรข้นึ เขา้ใกลเ้ สน้ เสถียรภาพโดยปล่อยกัมมันตภาพรงั สอี อกท่มี า : http://chem1180.blogspot.com/2010/11/201-201-radioactivity-nuclear.html)
ชนิดของกมั มนั ภาพตรงั สีThe behavior of three types of radioactive emissions in an electric field.
ชนิดของกมั มนั ภาพตรังสี•การแผร่ ังสีแอลฟา(α) (ธาตทุ ่มี ีเลขอะตอมสงู กวา่ 82 ข้ึนไปและมีจานวนนิวตรอนต่อโปรตอนในสัดส่วนที่ไม่เหมาะสม เกิดกับธาตุที่อยู่เหนือเส้นเสถียรภาพมาก ๆ บ่งบอกถึงธาตุนั้นว่ามีจานวนนิวตรอนและโปรตอนมากเกินไป ) อนุภาค α เป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม มีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 2 อนุภาค มีประจุไฟฟ้า +2 มีเลขมวล 4 มีอานาจทะลุทะลวงต่าเพียงแคก่ ระดาษ อากาศท่ีหนาประมาณ 2-3 cm น้าที่หนาขนาดมิลลเิ มตร หรอื โลหะบางๆก็สามารถกน้ั อนภุ าคแอลฟาได้A X YA4 + 4 HeZ 2 Z 2U238 29304Th + 4 He 2 92
ชนิดของกมั มนั ภาพตรงั สี•การแผ่รังสีบีตา (ธาตุมีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน เป็นธาตุท่ีอยู่เหนือเส้นเสถียรภาพจะมีค่าN/Z > 1 เพ่ือให้เกิดความเสถียรมากข้ึนจึงปล่อย อนุภาคเบตา β ออกมาเพ่ือลดจานวนนิวตรอนและเพิ่มจานวนโปรตอน โดยนิวตรอนจะเปลี่ยนตัวเองเป็นโปรตอนและอนุภาคประจุลบคล้ายอิเล็กตรอน โปรตอนที่เกิดข้ึนน้ีจะอยู่ท่ีนิวเคลียสทาให้อะตอมของธาตุมีจานวนนวิ ตรอนลดลง และโปรตอนเพ่ิมขน้ึ ) อนุภาคเบตา β มีสมบตั ิเหมือนอิเล็กตรอน มีประจุไฟฟ้า-1 มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอนซึ่งน้อยมาก มีอานาจทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟาประมาณ 100เทา่ สามารถผา่ นแผน่ โลหะบางๆ ได้ และมคี วามเรว็ ใกลเ้ คยี งกบั ความเร็วแสงA X YA + 0 eZ + 1 Z 128120Pb 0 e 28130Bi 1
ชนดิ ของกัมมนั ภาพตรงั สี•การแผร่ งั สีแกมมา (γ) เป็นการเปลีย่ นระดับพลังงานในนิวเคลยี สจาก สภาวะกระตนุ้ เปน็ สภาวะพืน้ไมม่ กี ารเปล่ยี นแปลงจานวนโปรตอนและนิวตรอน ดงั นน้ั สารตั้งต้นและผลิตภัณฑจ์ ะเป็นตัวเดยี วกนัรังสีแกมมาคือ คล่ืนแมเ่ หล็กไฟฟ้า มคี วามยาวคลนื่ 0.001 – 1.5 pm มพี ลงั งานมากกว่ารงั สีเอ็กซ์ มีความเรว็ เท่ากบั ความเร็วแสงและมอี านาจทะลทุ ะลวงสงู สามารถผ่านแผ่นตะก่ัวหนา 8 mm หรอืแผ่นคอนกรตี หนาได้ ไมเ่ บย่ี งเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแมเ่ หลก็ )A X A X + Z Z + 9592Te 9592Te
สเถียรภาพของนิวเคลยี ร์ แบบฝกึ หัด จงทานายว่าไอโซโทปทไ่ี ม่มคี วามเสถียรของ ธาตุตอ่ ไปนี้ จะเกดิ การสลายตัวใหบ้ ีต้าหรอื โพ สติ รอน 135B N/Z____1 สลายตวั ให้ ______ 18879Au N/Z____1 สลายตัวให้ ______ 106C N/Z____1 สลายตวั ให้ ______ ทม่ี า : http://chem1180.blogspot.com/2010/11/201-201-radioactivity-nuclear.html)
ชนดิ ของกัมมนั ภาพตรงั สีชนิดการสลายตวั สัญลกั ษณ์ ประจุ ชนิดที่เป็นα (อลั ฟา) +2 อนุภาคβ (เบตา) -1 อนุภาคγ (แกมมา) 0 รงั สแี ม่เหลก็ ไฟฟา้n (นิวตรอน) 0 อนภุ าคβ+ (โพสติ รอน) + 1 อนุภาคp (โปรตอน) +1 อนภุ าค
ประโยชน์ของกัมมันภาพตรังสีHeeeββ004+2-20101α-01อนภุ าค/รังสี ตัวอย่างการนาไปใช้ประโยชน์ ใชท้ าอุปกรณต์ รวจจบั ควนั (smoke detector) ภายในจะบรรจุ Am-241 ท่ีแอลฟา (α) สามารถอนุภาคแอลฟาอยา่ งออ่ น ๆ ทาให้อากาศแตกตวั เป็นไอออนแลว้ นาไฟฟ้าได้ ถา้ ควันเขา้ ไปในเครอื่ งสัญญาณ เคร่ืองจะดูดซับอนุภาคและกระแสจะลดลงเล็กน้อย พร้อมกับมีเสียงสญั ญาณเตือนเบตา (β,β-) ใชส้ รา้ งเคร่ืองมอื ทีใ่ ช้สาหรับวดั ความหนา ความหนาแน่นของวตั ถุ ตรวจสอบหา องค์ประกอบทางเคมี วดั ระดับ ใช้ในเครอื่ ง PET scan (Positron Emission Tomography)เพทสะแกนนี้ เป็นการโพสติ รอน (β+) ถา่ ยภาพความเปลย่ี นแปลงทางชีวะเคมใี นเนอื้ เยอื่ ต่างๆในรา่ งกาย โดยการใหน้ า้ ตาล กลโู คส ชนดิ พิเศษ ทีม่ กี ัมมนั ตรงั สใี นตวั เอง เพ่ือช่วยในการวนิ จิ ฉยั โรคแกมมา (γ) เนือ่ งจากเปน็ รังสที ่ไี ม่มีมวลและประจุ จงึ ไม่เกิดการตกค้าง ใช้ประโยชนใ์ นการฆ่า เชือ้ จุลินทรยี ์เพอ่ื ถนอมอาหาร หรือรกั ษาโรคมะเรง็ ได้
การดุลสมการนวิ เคลยี ส์คือการทาใหจ้ านวนนิวคลอิ อน(โปรตรอน และนิวตรอน)รวม ของสารต้งัตน้ เทา่ กบั สารผลิตภัณฑ์ โดยตอ้ งดุลใหเ้ ลขมวลและเลขอะตอมเท่ากนัเลขมวล (จานวน โปรตรอน + นิวตรอน) A X สัญลักษณ์นิวเคลยี ร์ เลขอะตอม (จานวนนวิ ตรอน) Z1. เลขมวลเทา่ กนั23952 U + 10n 13585Cs + 9367Rb + 2 10n235 + 1 = 138 + 96 + 2 x 12. เลขอะตอมเทา่ กัน23952 U + 10n 13585Cs + 9367Rb + 2 10n92 + 0 = 55 + 37 + 2 x 0
การดุลสมการนิวเคลียส์จงเขยี นสมการตอ่ ไปนี้ใหส้ มบูรณ์1. 2714Si __________ + 0-1e2. 6629Cu __________ + 0-1e3. 2713Al + 42He 3014Si + __________4. 146C 136C + __________5. 22689Ac 22688Ra + __________ 22287Fr + __________6. 22689Ac 15358Cs + 9367Rb +__________7 29325U + 10n
พลังงานยึดเหนย่ี วนวิ เคลยี ร์ พลงั งานยึดเหน่ียวนวิ เคลียส (nuclear binding energy) คอื พลงั งานท่ีชว่ ยยดึ เหนยี่ วอนุภาคต่าง ๆ ในนิวเคลยี สไว้ตัวอย่างเช่นอะตอม 19 F จะประกอบไปดว้ ย อเิ ลก็ ตรอน 9 อนภุ าค ทน่ี ิวเคลียสมีนวิ คลอิ อน 19 อนุภาค 9แบ่งเป็น นิวตรอน 10 และ โปรตอนอีก 9 อนุภาค จะเห็นว่าโปรตอนซึง่ มีประจุเป็นบวกแทนท่ีจะเกิดแรงผลักกัน แต่สามารถรวมกันอยู่ได้ เน่ืองจากมีมวลบางส่วนของนิวคลิออนหายไป(มวลพร่อง) และเปล่ียนเปน็ พลังงานท่ีจะยึดอนภุ าคเหลา่ น้ไี ว้ด้วยกนัตามสมการ (∆E = ∆ mc2) เรียกพลังงานนวี้ ่า พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียส ชว่ ยยึดเอาไว้พลงั งานน้ีเกิดจากการเปลี่ยนมวลของอนภุ าคในนิวเคลียส∆E = พลังงานทีเ่ ปล่ียนแปลงไป (มหี น่วยเป็นจูล (J))∆m = มวลทเี่ ปลยี่ นแปลงไป(มหี น่วยเป็นกิโลกรมั (kg))C = อตั ราเรว็ ของคลนื่ แม่เหล็กไฟฟ้ามคี า่ 3.00 × 108 เมตรต่อวนิ าที (m/s)
พลังงานยึดเหน่ียวนวิ เคลยี ร์อะตอมฟลูออรีน 19 F ซงึ่ มมี วลอะตอมเทา่ กบั 18.9984 หนว่ ยมวลอะตอม (atomic 9mass unit; amu) สามารถคานวนพลงั งานยดึ เหน่ียวนิวเคลียรไ์ ดด้ ังน้ีมวลของ H1 =1.0077825 amu n1 = 1.008655 amu 1 0จากสตู ร ∆E = ∆ mc2 = [(9x 1.007825 )+ (10x 1.008655) – 18.9984] amu× ( 3.00 x 108 m/s)2 = -14.3 x 1016 amu.m2/s2เปลย่ี นหนว่ ย โดยใชข้ ้อมลู1.66 x 10-24g = 1 amu ; 1.66 x 10-27 kg = 1 amu 1J = 1 kg.m2/s2∆ E = (-14.3 x 1016 ) × (1.66 x 10-27) J = - 2.37 x 10-11 J1 joule (J) = 6.24150913 × 1012 megaelectron volts (MeV)เปลย่ี นหน่วยเป็น MeV จะได้ ∆ E = 2.37 × 10-11× 6.24150913 × 1012 = 147.73 MeVพลังงานยึดเหนี่ยวนวิ เคลยี ส = 147.73 MeVพลังงานยึดเหนย่ี วนิวเคลยี สตอ่ นวิ คลิออน = 147.73 MeV/19 = 7.7753 MeVหมายความว่าพลงั งานทีใ่ ช้ยึด แตล่ ะนิวคลอิ อนเอาไวม้ ีค่าเป็น 7.7753 ลา้ นเท่าของพลังงานไฟฟา้ ของอิเล็กตรอน 1 ตัว จะเห็นวา่ เปน็ พลังงานมหาศาล
พลงั งานยดึ เหน่ยี วนวิ เคลยี ร์จากมวล 1 amu เทียบได้กบั พลงั งาน 931 MeV จาก E = mc2 ∆E = ∆ mc2 ∆ E = (Δm)931 MeVΔm คอื มวลท่ีหายไป (mass defect) หนว่ ย amu∆E คอื พลงั งานยดึ เหนี่ยวนิวเคลยี ร์ (Binding Energy) หนว่ ย MeV
พลังงานยึดเหนี่ยวนวิ เคลยี ร์ตัวอย่าง จงหาพลังงานยดึ เหนีย่ วนวิ เคลียรข์ องอะตอมฟลอู อรนี 199F ซ่ึงมีมวลอะตอมเทา่ กบั 18.9984 amuมวลของ 11H =1.0077825 amu นิวตรอน = 1.008655 amu จากสูตร ∆E= ∆ mc2 ∆ E = (Δm)931โดย ∆m = มวลรวมของ( P N e-) – มวลธาตุ 1 atom = [(9x 1.007825 )+ (10x 1.008655) – 18.9984 = -0.15868 amu ∆ E = (Δm)931 ∆E= (-0.15868) 931 พลังงานยดึ เหนีย่ วนวิ เคลยี ร์ = 147.73 MeV พลงั งานยึดเหนีย่ วนิวเคลียร์ต่อนิวคลอิ อน = 147.73 MeV/19= 7.7753 MeV
พลังงานยดึ เหน่ียวนิวเคลยี ร์ตวั อยา่ ง จงหาพลังงานยดึ เหน่ยี วนวิ เคลยี ร์ของอะตอมฮเี ลยี ม 42He ซ่งึ มมี วลอะตอมเทา่ กบั 4.002602 amuมวลของ 11H =1.0077825 amu นิวตรอน = 1.008655 amu
พลงั งานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ตัวอยา่ ง จงหาพลงั งานนิวเคลยี ร์ของปฏกิ ริ ยิ าตอ่ ไปนี้กาหนดมวล 1 n = 1.0086625 H H2 H3 H1 0 1 1 1 11H = 1.00782512H = 2.01410213H = 3.01605014He = 4.0026032
พลังงานยึดเหนย่ี วนิวเคลยี ร์ ค่าพลงั งานยดึ เหน่ียวนวิ เคลียสต่อนิวคลอิ อนนี้สามารถบง่ บอกถงึ ความเสถยี รของนิวเคลียสของธาตุนัน้ ๆ ได้• ยง่ิ มีคา่ มากแสดงว่ามคี วามเสถยี รมาก นวิ เคลียสของธาตทุ เ่ี สถยี รทีส่ ดุ คอื Fe• ธาตทุ ีม่ มี วลอะตอมและความเสถียรตา่ เช่น ไฮโดรเจน สามารถเกิดปฏกิ ริ ยิ านิวเคลยี ร์ฟวิ ชนั ได้• ส่วนธาตุท่ีมีมวลอะตอมสูง และความเสถียรตา่ อย่างเช่น ยูเรเนยี ม กส็ ามารถเกดิ ปฏกิ ิรยิ า นวิ เคลียร์ฟชิ ชันได้ทม่ี า (http://www.nuceng.ca/igna/binding_energy.htm)
คร่ึงชวี ติ (half life) ของสารกมั มนั ตรังสีครง่ึ ชีวิต (half life t1/2)คอื ระยะเวลาทธ่ี าตุกัมมันตรงั สีสลายตวั จนเหลอื ปริมาณเพียงครึ่งหน่งึ ของปรมิ าณเดมิ ปฏิกิริยาการแผ่รงั สีของธาตุกมั มนั ตรงั สี เป็นปฏกิ ริ ยิ าอนั ดบั 1สามารถหาสูตรคานวณที่เกี่ยวกบั ครง่ึ ชีวิตไดด้ งั น้ีln N = -λt N0t1/ 2 0.693 λN คือ จานวนนิวไคลด์กัมมันตรงั สีณ เวลาใด ๆณ เวลาเรม่ิ ตน้ (t = 0)จานวนนวิ ไคลดก์ มั มันตรงั สีมีค่าเปน็ N0ณ เวลา t = t จานวนนิวไคลดก์ มั มนั ตรงั สีมีค่าเป็นλคอื คา่ คงทกี่ ารสลายตวั (decay constant) มหี นว่ ยเป็น วินาท-ี 1 (ที่มา : http://chemistry.tutorvista.com/nuclear-chemistry/radioactive-decay.html)
คร่งึ ชวี ิต (half life) ของสารกมั มนั ตรงั สี
ครง่ึ ชวี ิต (half life) ของสารกมั มนั ตรงั สีระยะเวลาทแ่ี สดงถงึ ครึ่งชวี ิตของไอโซโทปกมั มนั ตรังสีสามารถนาไปใชค้ านวณหาปริมาณของธาตุกมั มันตรงั สใี นระยะเวลาต่าง ๆ กนั ได้ ตัวอย่าง จงหาปริมาณของ Tc-99 ที่เหลอื เม่อื วาง Tc-99 จานวน 18 กรัมไว้นาน 24 ชวั่ โมง และ Tc-99 มีครึ่งชีวิต 6 ชว่ั โมง
คร่งึ ชวี ติ (half life) ของสารกมั มันตรงั สีตวั อยา่ งที่ 2 ถา้ ท้ิงไอโซโทปกมั มนั ตรังสชี นดิ หนงึ่ 20 กรมั ไว้นาน 28วนั ปรากฏวา่ มีไอโซโทปน้ันเหลอื อยู่ 1.25 กรมั ครึ่งชวี ิตของไอโซโทปน้มี ีค่าเท่าใดตัวอย่างที่ 3 จงหาปริมาณ I-131 เรม่ิ ตน้ เมื่อนา I-131 จานวนหน่งึมาวางไว้เปน็ เวลา 40.5 วนั ปรากฏวา่ มีมวลเหลอื 0.125 กรมั ครง่ึชีวติ ของ I-131 เท่ากบั 8.1 วนั
ปฏกิ ิรยิ านวิ เคลยี ร์ปฏกิ ิริยาฟิชชนั (Fission reaction) คอื กระบวนการทน่ี วิ เคลยี สของธาตุหนักบางชนดิ แตกตวั ออกเป็นไอโซโทปของธาตทุ ่ีเบากว่า
ปฏกิ ิริยานิวเคลยี ร์ฟชิ ชนั Fission reaction • Enrico Fermi (พ.ศ. 2444-2497) นักฟสิ กิ สช์ าวอิตาลมี ีความ สนใจอนภุ าคนิวตรอนเป็นอนั มาก • ในปี พ.ศ. 2481 เขาได้รับรางวลั โนเบลจากผลงานการค้นพบ ธาตกุ มั มันตรงั สีชนิดใหม่ โดยการยิงนวิ ตรอนไปยงั ยเู รเนียม • นอกจากนีเ้ ค้ายังเป็นผใู้ หก้ าเนดิ เครอ่ื งปฏกิ รณน์ วิ เคลียร์ การผลติ พลโู ทเนยี ม ด้วยการใช้นวิ ตรอน ยิงนิวเคลียสยูเรเนยี มhttp://www.radiomarconi.com/marconi/marconi-einstein.html
ปฏกิ ริ ิยานิวเคลยี รฟ์ ชิ ชัน Fission reactionประโยชนข์ องปฏิกิริยาฟิชชัน ปจั จบุ ันนกั วทิ ยาศาสตรส์ ามารถควบคุมปฏกิ ริ ิยาลกู โซ่ในฟิชชนั ได้ และนามาใช้ประโยชนท์ างสนั ติ เช่น ใช้สรา้ งเตาปฏกิ รณป์ รมาณู เพือ่ ผลิตไอโซโทปกัมมนั ตรงั สี เพื่อใชใ้ นทางการแพทย์ การเกษตร และอุตสาหกรรม ในขณะที่พลังงานที่ได้ก็สามารถนาไปใช้ผลติ กระแสไฟฟา้ ได้
ปฏกิ ิรยิ านวิ เคลยี ร์ฟิชชนั Fission reaction• ปฏิกิริยาฟชิ ชนั (Fission reaction) คอื ปฏิกิริยานิวเคลียร์ทเี่ กดิ ขึ้น เน่ืองจากการยงิ อนุภาค นวิ ตรอนเขา้ ไปยงั นิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทาให้นิวเคลยี ร์แตกออกเปน็ นวิ เคลยี ร์ทเี่ ลก็ ลงสอง ส่วน กบั ใหอ้ นภุ าคนวิ ตรอน 2-3 อนภุ าค และคายพลังงานมหาศาลออกมาhttp://61.19.145.7/student/science401/chem/chem11/main5.html
ปฏิกิรยิ านิวเคลียร์ฟชิ ชัน Fission reactionChain reaction : นวิ ตรอนท่ีเกดิ จาก fission reaction ขน้ึ 2-3 ตวั ซึง่ มพี ลงั งานสงู จะวง่ิไปชนนวิ เคลยี สของอะตอมท่ีอยใู่ กล้เคยี ง ทาใหเ้ กิดปฏิกริ ิยาตอ่ เนอ่ื งไปเป็นลกู โซ่ ซึ่งเรยี กวา่ปฏกิ ริ ิยาลูกโซ่ ซ่ึงทาให้ไดพ้ ลังงานมหาศาลhttp://www.btinternet.com/~j.doyle/SR/Emc2/Fission.htm
ปฏิกิริยานิวเคลยี รฟ์ ชิ ชนั Fission reactionThe First Atomic Bomb : \"Little Boy\", two feet in diameter, ten feet long, 9000 pounds,dropped on Hiroshima, Japan, was a uranium bomb, equivalent to 20,000 tons ofexplosive.http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html
ปฏกิ ริ ิยานิวเคลียร์ฟชิ ชัน Fission reactionNuclear Reactorหากคานวณพลังงานท่ไี ดจ้ ากปฏิกริ ยิ านิวเคลยี รด์ ้วยสมการ ∆E = ∆ mc2 ปฏิกิริยานิวเคลียรของ U-235 นา้ หนกั 235.044 กรัม ถา้ เป็นทรงลูกบาศก์จะมดี ้านกวา้ ง ยาว และสงู ดา้ นละ 2.3cm ก้อนยเู รเนียมขนาดเล็กแค่นี้สามารถให้พลงั งานท่ีทาใหห้ ลอดไฟขนาด 100 วตั ต์ จานวน2,245,370 หลอด สว่างได้พร้อมกนั เปน็ ระยะเวลา 24 ชัว่ โมงhttp://www.youtube.com/watch?v=HwhiFgLqjOQ http://www.youtube.com/watch?v=cJJnrWu7rg8
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชนั Fission reactionโรงไฟฟา้ นิวเคลียร์เปน็ การนาปฏกิ ริ ยิ าฟิชชัน ไปใช้ประโยชน์ในโดยการนาพลงั งานความร้อนไปผลิตกระแสไฟฟา้ ตามภาพที่ 11.5 เม่ือยงิ นิวตรอนใส่ยเู รเนียมจะเกดิ ปฏกิ ิริยาฟิชชนั ทีเ่ ตาปฏิกรณ์ พรอ้ มกบั คายพลงั งานออกมามหาศาล ภายในเตาปฏกิ รณ์จะมโี มเดอร์เรเตอร์(moderator) เป็นตัวหน่วงความเร็วของนวิ ตรอนและเปน็ ตวั ช่วยพาพลังงานออกไป ตม้ นา้ ใหเ้ ดอื ดเปน็ ไอ ไอนี้จะไปหมนุ ไดนาโมผลิตไฟฟา้ กระแสสลบั ออกมา แลว้ จ่ายไฟไปตามบ้านเรือน เตาปฏิกรณ์นิวเคลยี ร์มี3 ประเภทแบ่งไดแ้ ก่ 1. เตาปฏิกรณ์น้าเบา (light water reactors) 2. เตาปฏกิ รณ์นา้ หนกั (heavy water reactors) 3. เตาปฏิกรณ์บรีดเดอร์ (breeder reactors)
ปฏกิ ริ ิยานิวเคลียร์ฟิชชัน Fission reactionเตาปฏกิ รณ์น้าเบา (light water reactors)•ยิง U-235 ด้วยนิวตรอนช้า (slow neutron) ซึ่งจะทาใหเ้ กิดปฏิกิรยิ าฟชิ ชนัไดด้ กี ว่านวิ ตรอนเร็ว .•ใชน้ า้ H2O เปน็ โมเดอรเ์ รเตอร์ เนอ่ื งจากมสี มบตั ดิ ังนี้ • สามารถลดความเรว็ ของนวิ ตรอน • หล่อเย็น • มคี วามรอ้ นจาเพาะสงู เพ่ือรับพลงั งานปริมาณมาก • ไม่เปน็ พษิ • ราคาไมแ่ พง • ต้านทานการเกดิ การแปรนวิ เคลยี ส•เน่อื งจากโรงไฟฟา้ ชนิดนี้ใช้น้ามาก จึงจาเปน็ ต้องอยใู่ กล้แหล่งน้า แม่น้าหรอืทะเลสาบ
ปฏิกิรยิ านวิ เคลยี รฟ์ ชิ ชนั Fission reactionA light-water reactor.
ปฏิกริ ยิ านวิ เคลียรฟ์ ชิ ชนั Fission reactionเตาปฏิกรณน์ ้าหนกั (heavy water reactors)•ใชโ้ มเดอรเ์ รเตอรเ์ ปน็ heavy water (D2O) แทน H2O ความเร็วของนิวตรอนจงึ ลดลงไมม่ าก•ไม่จาเป็นตอ้ งใชแ้ ร่ยเู รเนยี มทมี่ คี วามบรสิ ทุ ธ์สิ ูง (enriched U (3-4 %) แต่ใช้เพยี งแรย่ เู รเนียมที่มีปรมิ าณของยูเรเนียมตา่ ก็เพียงพอ (normal U-235(0.7 %)•ประเทศท่ปี ระสบความสาเรจ็ ในการเตาปฏกิ รณช์ นดิ น้ีคอื ประเทศแคนาดา•โรงไฟฟา้ นวิ เคลียรไ์ มต่ อ้ งเกย่ี วข้องกับเทคโนโลยดี ้านอาวุธ เพราะใช้แร่ยเู รเนยี มทมี่ ีความบริสุทธ์ไิ ม่มาก
ปฏิกริ ิยานิวเคลยี รฟ์ ิชชนั Fission reactionเตาปฏกิ รณ์บรดี เดอร์ (Breeder Reactors)•จะใช้ U-235 หรือ Pu-239 ผสมกับ U-238 (ซึง่ ในธรรมชาติ U-238 มีอยปู่ รมิ าณมากกวา่ U-235 มาก)•เตาปฏิกรณ์ชนิดน้ีจึงสามารถใช้เชอ้ื เพลงิ ได้อยา่ งค้มุ ค่า มีระยะเวลาการใช้งานมากขนึ้ เป็น 7 - 10 ปี•ข้อเสยี คอื ต้องใชเ้ ทคโนโลยีทย่ี ากและราคาสงู มากในการก่อสร้างเตาปฏกิ รณ์ชนิดน้ีU + n U Np +238 1239 239 -01b 92 092 93นวิ ตรอนความเรว็ สูงนจ้ี ะถกู จับดว้ ย U-238 Pu +239 -10bเปลี่ยนเป็น Pu-239 ซึง่ สามารถเกดิ ปฏิกริ ยิ าฟิชชนัต่อไปได้ 94
ปฏกิ ิรยิ านวิ เคลียรฟ์ วิ ชัน Fusion reactionปฏิกริ ยิ าฟวิ ชัน (Fusion reaction) คือ ปฏิกริ ิยาที่เกดิ การรวมตัวของไอโซโทปทีม่ ีมวลอะตอมต่า ทาใหเ้ กดิ ไอโซโทปใหม่ท่ีมีมวลมากขึ้นกว่าเดมิและใหพ้ ลงั งานจานวนมหาศาล และโดยทวั่ ๆ ไปจะให้พลงั งานมากกว่าปฏิกริ ิยาฟิสชัน
ปฏกิ ริ ิยานิวเคลียร์ฟิวชัน Fusion reactionการหลอมนวิ เคลยี ส ( Nuclear Fusion ): เปน็ การหลอมรวมนวิ เคลยี สเลก็ ๆ ใหเ้ ปน็ นวิ เคลยี สใหญ่ขึ้น ( ตรงข้ามกบั nuclear fission ): ต้องเกดิ ท่ีอณุ หภมู ิ ( t ) สูงมากๆ เรยี ก thermonuclear reactionsเช่น ในดวงอาทติ ย์ t 15 ลา้ น oC H รวมเปน็ He ได้ตลอดเวลาสาหรบั ธาตุทเี่ บา เสถยี รภาพของนิวเคลียสจะเพ่มิ ตามเลขมวลท่ีเพิ่มขน้ึดงั นั้น ถา้ นวิ เคลยี สของธาตุเบา 2 นิวเคลยี สหลอมตัวกันเป็นนวิ เคลียสเดียวที่หนกั กว่าเดมิ และเสถียรกวา่ เดมิ จะมกี ารคายพลังงานออกมาเปน็ จานวนมากH1 + H2 3 He 21 13 He + 32He 4 He + 2 H12 2 1H1 + H1 H2 + 01b1 1 1
ปฏกิ ิรยิ านิวเคลยี รฟ์ วิ ชัน Fusion reactionตวั อย่าง Hydrogen bomb ใช้ solid lithium deuteride (LiD) ขนั้ ที่ 1 nuclear fission ให้ heat 2 heat ทาให้เกิด nuclear fusion 6 Li + 12H 2 4 He 3 2 21H + 2 H 3 H + 1 H 1 1 1
ปฏกิ ริ ิยานิวเคลียร์ฟิวชนั Fusion reactionแม้ปฏิกริ ยิ าฟวิ ชันจะให้พลงั งานออกมามากกวา่ และไมเ่ กดิ สารพษิ อย่างปฏกิ ริ ยิ าฟิชชนั แตก่ ารนาปฏิกริ ิยาฟิวชนั มาใช้ประโยชน์ยังเปน็ เรื่องยากเนื่องจาก ตอ้ งใชอ้ ุณหภูมสิ งู มากอณุ หภูมปิ ระมาณ 10 ลา้ นองศาเซลเซยี สในการหลอมอะตอมเข้าด้วยกนั และไม่มวี สั ดุใดทจ่ี ะทนความร้อนขนาดน้นั ได้ ปจั จบุ นัเราสามารถใช้ เครอื่ ง tokamak ทาใหเ้ กดิ ปฏกิ ิรยิ าฟิวชนั ได้โดยมีสนามแม่แหลก็ บังคบั ใหพ้ ลาสมาของปฏกิ ิรยิ าลอยอยู่ได้โดยไม่สมั ผัสกับวสั ดุใด การพัฒนาเทคโนโลยีทีเ่ กย่ี วกบั ปฏิกิรยิ าฟวิ ชันยงั เปน็ ไปอย่างต่อเนอื่ ง
ปฏกิ ิรยิ านิวเคลยี ร์ฟิวชัน Fusion reaction The tokamak design for magnetic containment of a fusion plasma.
การตรวจสอบสารกัมมันตรังสีGeiger-Müller tube (GM tube) หลักการทางาน : เมือ่ รังสี ผา่ นเขา้ ทางชอ่ งรับรงั สีจะชนกบั อะตอมของแก๊สอารก์ อนทีบ่ รรจุ อยู่ในกระบอก ทาให้อิเล็กตรอน หลดุ ออกจากอะตอมเกดิ เป็น Ar+ จึงเกิดความต่างศกั ย์ระหว่าง ประจบุ วก (Ar+) กับประจลุ บ (e- ) ของขวั้ ไฟฟ้าในหัววดั รงั สี ซึง่ อ่านค่าความตา่ งศักยไ์ ด้จากเข็ม บนหนา้ ปดั ค่าทอี่ า่ นไดจ้ ะมาก หรอื น้อยขึ้นกบั ปรมิ าณของรังสที ี่ จะทาให้ Ar กลายเป็น Ar+
ประโยชนแ์ ละโทษของธาตกุ มั มนั ตรังสีการประยุกต์ใช้งานไอโซโทปกัมมันตรังสี (Application of Isotopes) 1. แหล่งพลังงาน - nuclear power plant 2. อุตสาหกรรม - ลดการสึกหรอวงแหวนลูกสูบ 3. Tracer (ตวั ติดตาม) : ใช้ radioactive isotope ศึกษาตดิ ตามการเปลย่ี น แปลงของธาตุปกติ ในกระบวนการทางชวี ภาพทางการเกษตร : 32P ในป๋ยุ ฟอสเฟต 14CO2 การสังเคราะหแ์ สงทางการแพทย์ : 131 I ต่อม thyroid ผิดปกติ4. ศึกษาโครงสร้างของสาร5. รักษาโรค 60Co รักษามะเรง็ 131I รกั ษาตอ่ ม thyroid6. C - 14 คานวณอายวุ ตั ถุโบราณอันตรายของกมั มันตรังสี (Hazards of Rradioactivity) ขึ้นกบั - ชนดิ และปริมาณของรังสี - ส่วนของอวยั วะ (ทาลายเซลล์)- Nuclear fission products เชน่ Sr-90 , Pu-239 ถา้ รั่วไหลอันตราย- การกาจัดกากนวิ เคลียร์ ใสถ่ ังฝังใตท้ ะเล / ใต้ดนิ
ประโยชน์และโทษของธาตกุ มั มันตรงั สี PET (Positron Emission Tomography) AndCT (Computerized Tomography – from X-rays)
ประโยชนแ์ ละโทษของธาตกุ มั มันตรังสี The use of radioisotopes to image the thyroid gland.asymmetric scan normal indicates disease
ประโยชน์และโทษของธาตกุ มั มันตรงั สี
Search
