(คู่มือ) หนังสือเรียนสสวท เพิ่มเติมฟิสิกส์ 6

88 บทที่ 19 | ฟสิ ิกสอ์ ะตอม ฟสิ กิ ส์ เล่ม 6 4. อะตอมหน่ึง มรี ะดบั พลังงาน ท�ำ ให้เกิดสเปกตรัมเปลง่ ออก 3 เสน้ ทีม่ ีความยาวคล่ืน ดงั รปู E3 -2.00 eV -4.00 eV E2 -5.00 eV E1 ระดบั พลังงานของอะตอม สเปกตรัมเปลง่ ออก รูป ประกอบปญั หาขอ้ 4 ถา้ ตอ้ งการกระตนุ้ อะตอมน้ี จากสถานะพนื้ ไปยงั สถานะถกู กระตนุ้ จะตอ้ งใชค้ ลนื่ แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ที่มีความยาวคลื่นเทา่ ใด วธิ ที �ำ จากแผนภาพระดบั พลงั งานของอะตอม ถา้ ตอ้ งการกระตนุ้ อะตอมนจี้ ากสถานะพนื้ ใหอ้ ยู่ ในระดับพลังงาน E2 และ E3 จะต้องใช้พลังงาน 1.00 อิเล็กตรอนโวลต์ และ 3.00 อิเล็กตรอนโวลต์ ตามลำ�ดับ ซึ่งได้รับพลังงานจากคล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้าท่ีมีความยาวคลื่น เท่ากบั 1242 nm และ 414 nm ตามลำ�ดับ hc (6.626 10 34 Js)(3 108m/s) 1242 nm 1.00 1.60 10 19 J และ hc (6.626 10 34 Js)(3 108m/s) 414 nm ตามลำ�ดับ 3.00 1.60 10 19 J -2.00 eV E3 -4.00 eV E2 -5.00 eV E1 รปู ประกอบวิธีส�ำ หรบั ปัญหาขอ้ 4 ตอบ จะตอ้ งใช้คลืน่ แมเ่ หล็กไฟฟา้ ทีม่ ีความยาวคล่นื 414 นาโนเมตร และ 1242 นาโนเมตร 5. จงหาความถี่ของคล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้าท่ีถูกดูดกลืนหรือเปล่งออกมาจากอะตอมไฮโดรเจน เม่ือ อะตอมเปลี่ยนระดบั พลังงานจาก n = 1 ไปยัง n = 3 และจาก n = 6 ไปยงั n = 3 วิธีทำ� ค�ำ นวณความยาวคลน่ื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ทแ่ี ผอ่ อกมา โดยใชส้ มการ เมอื่ อะตอมเปลย่ี นจากระดับพลงั งานจาก ni = 1 ไปยงั nf = 3 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 0.97547

ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 บทท่ี 19 | ฟิสกิ ส์อะตอม 89 00..9977554477 เคร่ืองหมายเป็นลบหมายถึงการดูดกลืนคล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้า และคำ�นวณหาความถ่ีจาก fc 3 108 m/s f 102.52 10 9 m 2.9263 1015 Hz เมอื่ อะตอมเปลย่ี นจากระดับพลงั งานจาก ni = 6 ไปยัง nf = 3 เคร่ืองหมายเป็นบวกหมายถึงการเปล่งคล่ืนแม0่เ.9ห7ล5็ก4ไฟ7ฟ้า และคำ�นวณหาความถ่ีจาก fc f 3 108 m/s 1093.5 10 9 m 0.27435 1015 Hz สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

90 บทที่ 19 | ฟสิ กิ ส์อะตอม ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 ตอบ เมอื่ อะตอมเปลยี่ นระดบั พลงั งานจาก n = 1 ไปยงั n = 3 จะดดู กลนื คลนื่ แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ความถ่ี 2.9263 × 1015 เฮริ ตซ์ เม่ืออะตอมเปลยี่ นระดบั พลงั งานจาก n = 6 ไปยัง n = 3 จะเปลง่ คลน่ื แมเ่ หล็กไฟฟา้ ความถี่ 0.27435 × 1015 เฮิรตซ์ 6. ฉายแสงทมี่ คี วามยาวคลน่ื 2.5 × 10-7 เมตร ตกบนผวิ ซเี ซยี มทมี่ ฟี งั กช์ นั งาน 2.1 อเิ ลก็ ตรอนโวลต์ โฟโตอเิ ลก็ ตรอนทีห่ ลดุ ออกมามีพลงั งานจลน์สูงสดุ เท่าใด hf W hc W 1.60 10 19 J/eV วธิ ีท�ำ หาพลงั งานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเลก็ ตรอนจากสมการ Ekmax Ekmax hc W 6.626 10 34 J s 3.0 108 m/s 2.1 eV 2.5 10 7 m (7.9512 10 19 J) (3.3600 10 19 J) 4.5912 10 19 J 4.5912 10 19 J 1.60 10 19 J/eV 2.8695 eV ตอบ พลงั งานจลนส์ งู สดุ ของโฟโตอเิ ลก็ ตรอนเทา่ กบั 4.6 × 10-19 จลู หรอื เทา่ กบั 2.9 อเิ ลก็ ตรอนโวลต์ 7. ในการทดลองโฟโตอเิ ล็กทรกิ พบวา่ ได้ผลการทดลอง ดังรปู Vs (โวลต) เงนิ ทอง แพลทินัม f (เฮริ ตซ) รูป ประกอบปัญหาข้อ 7 ผลการทดลองนถี้ ูกต้องหรอื ไม่ เพราะเหตใุ ด วธิ ที �ำ จากสมการโฟโตอเิ ลก็ ทรกิ เมอ่ื เขยี นความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความตา่ งศกั ยห์ ยดุ ยง้ั กบั ความถ่ี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เล่ม 6 บทท่ี 19 | ฟสิ ิกส์อะตอม 91 ของคล่ืนแสง จะได้ว่า Vs hf W ee h เfท่ากWันe แสดงใหเ้ หน็ ว่าความชนั ของกราฟแตล่ ะเส้นVมs คี า่ e ดงั น้ัน กราฟในโจทยจ์ งึ ไมถ่ ูกต้อง เพราะกราฟแตล่ ะเส้นมคี วามชนั ไม่เท่ากัน ตอบ ไมถ่ กู ตอ้ ง เพราะความชนั ของกราฟแตล่ ะเสน้ มคี า่ ไมเ่ ทา่ กนั 8. กำ�หนดให้ โลหะ A , B และ C มีค่าฟังก์ชันงานเท่ากับ 1.035 อิเล็กตรอนโวลต์ 2.070 อเิ ล็กตรอนโวลต์ และ 4.140 อเิ ลก็ ตรอนโวลต์ ก. จงหาความถ่ีขดี เร่มิ ของโลหะทั้ง 3 ชนดิ ข. วาดกราฟระหวา่ งความตา่ งศกั ยห์ ยดุ ยงั้ กบั ความถขี่ องโฟตอนทตี่ กกระทบแผน่ โลหะ โดยระบุ ชนดิ ของโลหะและความถ่ขี ีดเริม่ ลงในกราฟแต่ละเส้น วธิ ีทำ� W (1.035eV)(1.60 10 19 J/eV) 0.25 1015 Hz h (6.626 10 34 J s) ก. จากสมการ W hf0 0.50 1015 Hz W (2.070eV)(1.60 10 19 J/eV) ส�ำ หรบั โลหะ A จะได้ f0 h (6.626 10 34 J s) ส�ำ หรับโลหะ B จะได้ f0 W (4.140eV)(1.60 10 19 J/eV) 1.00 1015 Hz ส�ำ หรับโลหะ C จะได้ f0 h (6.626 10 34 J s) ข. จากสมการโฟโตอิเลก็ ทรกิ Ekmax hf W แต่ eVEkmax s จะได้วา่ eVs hf W หรอื Vs h f W e e โดยความชนั ของกราฟVมs คี ่า h แf ละWจดุ ตัดแกน y หรVือs Vs มheคี า่ f W e e e สำ�หรับโลหะ A จะได้ W 1.035eV 1.0 V Vs ee ส�ำ หรับโลหะ B จะได้ W 2.070 eV 2.1V Vs e e Vs W 4.1สถ4eา0บeันVส่งเสริมกา4ร.ส1อVนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี e

92 บทท่ี 19 | ฟสิ กิ ส์อะตอม Vs W 1.035eV ฟสิ 1ิก.ส0์ เVลม่ 6 ee Vs W 2.070eV 2.1V ee ส�ำ หรบั โลหะ C จะได้ Vs W 4.140eV 4.1V ee เม่ือน�ำ ขอ้ มูล f0 ของโลหะทัง้ สามและจดุ ตดั แกน y ไปเขียนกราฟจะได้กราฟเส้นตรงท่ขี นาน กนั โดยความชนั ของเส้นกราฟทั้งสามมคี ่าเทา่ กัน ดงั รูป Vs (โวลต) AB C 0.25 0.50 1.00 f ( ×1015 เฮิรตซ) -1.0 V -2.1 V -4.1 V รปู ประกอบวธิ ีทำ�สำ�หรับปญั หาข้อ 8 ข. ตอบ ก. 0.25 × 1015 เฮริ ตซ์ 0.50 × 1015 เฮิรตซ์ 1.00 × 1015 เฮริ ตซ์ ตามลำ�ดับ ข. กราฟระหวา่ งความตา่ งศักย์หยุดยง้ั กบั ความถ่ขี องโฟตอน ดงั รปู ประกอบวธิ ีทำ� 9. เมื่อฉายแสงท่ีมคี วามถี่ 8.15 × 1014 เฮริ ตซ์ ไปท่ีธาตุตอ่ ไปน้ี ธาตุ ฟง กช นั งาน W(eV) แบเรยี ม 2.6 อะลมู เิ นยี ม 4.2 4.6 เงิน 5.3 ทองคํา จะเกดิ ปรากฎการณโ์ ฟโตอิเล็กทรกิ กับธาตุใด สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 บทท่ี 19 | ฟสิ ิกสอ์ ะตอม 93 วธิ ีท�ำ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริกจะเกิดข้ึนก็ต่อเมื่อพลังงานของโฟตอนมีค่าเท่ากับหรือมาก กวา่ ฟงั ก์ชันงานของธาตุโฟตอนของแสงท่มี คี วามถ่ี 8.15 × 1014 Hz จะมีพลงั งาน E = hf จะได ้ E (6.626 10 3344 J s)(8.15 101144Hz) E 5.40 10 1199 J 5.40 10 1199 J 1.6 10 1199 J/eV E 3.38eV เม่ือพิจารณาจากตารางฟังก์ชันงานของแต่ละธาตุ พบว่าพลังงานของโฟตอนมากกว่า ฟังก์ชันงานของแบเรียมเพียงธาตุเดียว ดังน้ันธาตุที่เกิดปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริกได้ คือ แบเรียม ตอบ แบเรยี ม 10. ในการทดลองปรากฏการณโ์ ฟโตอเิ ลก็ ทรกิ ถ้าโลหะที่ใชม้ ีฟงั ก์ชันงานเท่ากบั 1.10 × 10-19 จลู โฟตอนของแสงที่มีความยาวคล่ืน 600 นาโนเมตร จะทำ�ให้อิเล็กตรอนหลุดจากผิวโลหะนี้มี ความเร็วสงู สดุ เทา่ ใด และความต่างศักย์หยุดย้ังของการทดลองนมี้ คี า่ เท่าใด 1 2 วิธีท�ำ หาความเรว็ สงู สุดของอิเล็กตรอน จากสมการ hf = W + Ekmax mv 2 max เน่อื งจาก c = f และ Ekmax 1 mv 2 2 max เมอ่ื แทนค่าใน hf = W + Ekmax จะไ1ด2้ m hvcm2 ax W 1 mvm2 ax 2 ในท่ีนี ้ = 600 nm = 6.00 × 10-7 m และ W = 1.1 × 10-19 J เม่อื แทนคา่ ใน hc W 1 mvm2 ax 2 (6.626 10 34 Js)(3.00 108 m/s) (1.10 10 19 J) 1 (9.11 10 31kg)vm2 ax 2 600 10 9 m หาคา่ vmax ได ้ vmax = 6.97 × 105 m/s หาความตา่ งศักย์หยุดย้ังจาก hc W eVs เมื่อแทนค่า จะได้ (6.626 10 34 Js)(3.00 108 m/s) (1.10 10 19 J) (1.60 10 19 C)VS 600 10 9 m หาค่า Vs ได้ Vs = 1.38 V ตอบ ความเร็วสูงสดุ เท่ากับ 6.97 × 105 เมตรต่อวินาที และความตา่ งศกั ย์หยุดยัง้ เทา่ กบั 1.38 โวลต์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

94 บทท่ี 19 | ฟิสกิ สอ์ ะตอม ฟสิ ิกส์ เล่ม 6 11. คนทอ่ี ยกู่ ลางแดดในตอนกลางวนั เปน็ เวลานานๆจะท�ำ ใหผ้ วิ หนงั คล�ำ้ จากการศกึ ษาพบวา่ พลงั งาน โฟตอนของแสงแดดทที่ �ำ ใหผ้ วิ หนงั คล�้ำ มคี า่ ประมาณ 3.50 อเิ ลก็ ตรอนโวลต์ จงหาความยาวคลน่ื ของโฟตอนและความยาวคลน่ื ของโฟตอนทค่ี �ำ นวณไดน้ ้ี อยใู่ นชว่ งรงั สชี นดิ ใดในสเปกตรมั คลน่ื แม่เหล็กไฟฟ้า hc E วธิ ที �ำ หาความยาวคลน่ื ของโฟตอนจาก แทนค่าจะได ้ (6.626 10 34 Js)(3.00 108 m/s) 3.50 1.60 10 19 J 3.55 10 7 m 355 nm ความยาวคลนื่ 355 นาโนเมตร อย่ใู นชว่ งรงั สอี ลั ตราไวโอเลต ตอบ ความยาวคลน่ื ของโฟตอนเทา่ กบั 355 นาโนเมตร อยใู่ นชว่ งรงั สอี ลั ตราไวโอเลต 12. ฟังกช์ นั งานของโลหะชนิดหนึ่งมีคา่ 3.3 × 10-19 จูล ก. จงหาความถต่ี �ำ่ สดุ ของคลน่ื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ทท่ี �ำ ใหเ้ กดิ ปรากฏการณโ์ ฟโตอเิ ลก็ ทรกิ กบั โลหะน้ี ข. เมอ่ื ใหค้ ลน่ื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ตอ่ ไปนต้ี กกระทบโลหะจะเกดิ ปรากฏการณโ์ ฟโตอเิ ลก็ ทรกิ หรอื ไม่ (1) คลืน่ ทมี่ ีความยาวคล่ืน 5.0 × 10-7 เมตร (2) คลน่ื ทม่ี ีความถี่ 4.0 × 1014 เฮิรตซ์ วธิ ที ำ� ก. ความถต่ี �ำ่ สดุ ของคลน่ื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ทท่ี �ำ ใหเ้ กดิ ปรากฏการณโ์ ฟโตอเิ ลก็ ทรกิ จากสมการ W hf0 หรอื f0 W h เน่อื งจากฟงั กช์ ันงานของโลหะ W = 3.3 × 10-19 J ดงั นั้น ความถี่ขีดเรม่ิ ของโลหะนี ้ f0 3.3 10 19 J 5.0 1014 Hz 6.626 10 34 Js ข. (1) คล่นื แม่เหล็กไฟฟา้ มคี วามยาวคล่ืน = 5.0 × 10-7 m จะมีความถี ่ f c 3.00 108 m / s 6.0 1014 Hz 5.0 10 7 m ซง่ึ มีความถสี่ งู กวา่ ความถข่ี ีดเรม่ิ จงึ ท�ำ ให้เกิดปรากฏการณโ์ ฟโตอเิ ล็กทรกิ (2) คล่นื ทม่ี ีความถี่ 4.0 × 1014 เฮริ ตซ์ ไม่ท�ำ ใหเ้ กิดเพราะความถตี่ ำ่�กวา่ ความถี่ ขีดเร่มิ ไม่ทำ�ให้เกดิ ปรากฏการณ์โฟโตอิเลก็ ทรกิ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เลม่ 6 บทท่ี 19 | ฟิสิกส์อะตอม 95 ตอบ ก. ความถข่ี ดี เรม่ิ ของโลหะเทา่ กบั 5.0 × 1014 เฮริ ตซ์ ข. (1) คลน่ื ทม่ี คี วามยาวคลน่ื 5.0 × 10-7 เมตร น้ี เมอ่ื กระทบโลหะจะเกดิ ปรากฏการณ์ โฟโตอเิ ลก็ ทรกิ ได้ (2) คลน่ื ทม่ี คี วามถ่ี 4.0 × 1014 เฮริ ตซ์ ต�ำ่ กวา่ ความถข่ี ดี เรม่ิ เมอ่ื กระทบโลหะจะไมเ่ กดิ ปรากฏการณโ์ ฟโตอเิ ลก็ ทรกิ 13. วโฟิธตที อ�ำ นจขาอกงสรมงั กสาเี อร ก ซfท์ ่มี คี วcามยา3ว.5ค0.ล00่นื 31008พmิโก/เsมตร จะมีความถี่และพลังงานเทา่ ใด 10 7 m 6.0 1014 Hz เน่อื งจากความยาวคล่ืนของรังสีเอกซ์ = 30 × 10-12 m 3.00 108 m / s ดงั นน้ั ความถี่ของรงั สีเอกซ ์ f 30 10 12 m 1.0 1019 Hz เนอ่ื งจากพลงั งานโฟตอน E = hf ดงั น้ัน พลงั งานโฟตอนของรังสีเอกซ์ E = (6.626 × 10-34 Js) (1.0 × 1019 Hz) E = 6.626 × 10-15 J 6.626 10 15 J 1.6 10 19 J / eV E = 41.4 KeV ตอบ โฟตอนของรงั สเี อกซม์ คี วามถเ่ี ทา่ กบั 1.0 × 1019 เฮริ ตซ์ และ มพี ลงั งานเทา่ กบั 6.626 × 10-15 จลู หรอื 41.4 กโิ ลอเิ ลก็ ตรอนโวลต์ 14. โฟตอนของรงั สชี นดิ หน่งึ มีพลังงาน 24.8 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ จะมคี วามถแี่ ละความยาวคล่นื เทา่ ใด E วิธที ำ� จากสมการ E = hf หรอื f h เนื่องจากพลงั งานของโฟตอน = 24.8 × 103 eV = (24.8 × 103 eV) (1.60 × 10-19 J/eV) ดงั น้ัน ความถข่ี องรังสี f 24.8 103 1.60 10 19 J 5.98 10 18 Hz จากสมการ 6.626 10 34 Js c f 3.00 108 m/s 1.00 10 10 m 0.10 nm 5.98 1018 Hz ตอบ โฟตอนของรงั สมี คี วามถเ่ี ทา่ กบั 5.98 × 1018 เฮริ ตซ์ และมคี วามยาวคลน่ื เทา่ กบั 0.10 นาโนเมตร สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

96 บทท่ี 19 | ฟสิ กิ ส์อะตอม ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 15. ฟังก์ชันงานของทองค�ำ เทา่ กบั 5.3 อิเลก็ ตรอนโวลต์ จงหาความถข่ี ดี เร่มิ ของแสงทท่ี ำ�ให้เกดิ โฟโตอเิ ลก็ ตรอนจากทองค�ำ แสงทต่ี ามองเหน็ จะท�ำ ใหเ้ กดิ โฟโตอเิ ลก็ ตรอนจากทองค�ำ ไดห้ รอื ไม่ วิธที �ำ หาความถี่ขีดเร่มิ จากสมการ W = hf0 f0 W h ฟงั ก์ชนั งานของทองคำ� W = (5.3 eV) × (1.6 × 10-19 J/eV) = 8.5 × 10-19 J ความถขี่ ีดเริ่มของทองคำ� f0 8.5 10 19 J 1.3 1015 Hz 6.626 10 34 Js แสงทตี่ ามองเห็นมคี วามถี่ 3.8 × 1014 เฮริ ตซ์ −9.5 × 1014 เฮิรตซ์ สว่ นทองคำ�มคี วามถ่ี ขดี เริ่มเท่ากบั 1.3 × 1015 เฮิรตซ์ ซ่งึ สูงกว่าความถ่สี งู สุดของแสงท่ีตามองเห็น ตอบ แสงทต่ี ามองเหน็ จะไมท่ �ำ ใหเ้ กดิ โฟโตอเิ ลก็ ตรอนจากทองค�ำ ได้ 16. พจิ ารณา โปรตอน อเิ ลก็ ตรอน และนวิ เคลยี สของฮเี ลยี ม ทเ่ี คลอื่ นทด่ี ว้ ยอตั ราเรว็ เทา่ กนั จงเรยี ง ลำ�ดับความยาวคล่นื เดอบรอยล์ของอนภุ าคทงั้ สามจากนอ้ ยไปมาก วิธีทำ� ความยาวคลน่ื เดอบรอยล์ ( ) สามารถหาไดจ้ าก h mv ดังนน้ั เม่ืออัตราเรว็ ของแตล่ ะอนภุ าคมีค่าเทา่ กนั และมวลของนิวเคลียสของฮีเลยี ม โปรตอน และ อิเลก็ ตรอน ทม่ี คี ่า 6.68 × 10-27 กโิ ลกรมั 1.67 × 10-27 กโิ ลกรมั และ 9.10 × 10-31 กิโลกรัม ตามลำ�ดับ จะได้ว่า ความยาวคลื่นเดอบรอยล์ของนิวเคลียส ของฮีเลยี มมีคา่ นอ้ ยท่ีสุด และ ความยาวคลน่ื เดอบรอยลข์ องอเิ ลก็ ตรอนมคี า่ มากท่สี ุด ตอบ นวิ เคลยี สของฮเี ลยี ม โปรตอน และอเิ ลก็ ตรอน มคี วามยาวคลน่ื เดอบรอยลจ์ ากนอ้ ยไปมาก ตามล�ำ ดบั 17. โฟตอนและอเิ ลก็ ตรอนทปี่ ระพฤตติ วั เปน็ คลนื่ มคี วามยาวคลน่ื 0.20 นาโนเมตร จะมโี มเมนตมั และพลังงานเทา่ ใด วิธีท�ำ โฟตอนและอิเล็กตรอนทมี่ คี วามยาวคลนื่ เทา่ กันจึงมีโมเมนตมั เทา่ กนั ซ่งึ หาไดจ้ าก สมการ p h ในที่น ้ี = 0.20 nm = 0.20 × 10-9 m , h = 6.626 × 10-34 Js จะได้ p 6.626 10 34 J.s 0.20 10 9 m p = 3.31 × 10-24 kg m/s สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 บทที่ 19 | ฟสิ กิ ส์อะตอม 97 พลังงานของโฟตอนหาได้จาก E h c เม่ือ c เปน็ อตั ราเรว็ ของแสง ในทีน่ ี ้ p = 3.31 × 10-24 kg m/s และ c = 3 × 108 m/s จะได ้ E 6.626 10 34 kg m/s 3 108 m/s (0.2 10 9 m) = 9.94 × 10-16 J หรอื E = 6.2 keV พลงั งานของโฟตอนมคี า่ 6.2 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ p2 พลงั งานของอิเลก็ ตรอนหาได้จากสมการ E 2m เม่ือ m เป็นมวลของอิเลก็ ตรอน ในท่นี ้ ี p = 3.31 × 10-24 kg m/s และ m = 9.11 × 10-31 kg 3.31 10 24 kg m/s 2 จะได ้ E 2 9.11 10 31kg = 6.01 × 10-18 J หรือ E = 37.6 eV พลังงานของอิเลก็ ตรอนมคี ่า 37.6 อิเล็กตรอนโวลต์ ตอบ โฟตอนและอเิ ลก็ ตรอนมโี มเมนตมั 3.31 × 10-24 กโิ ลกรมั เมตรตอ่ วนิ าที โฟตอนมพี ลงั งาน 6.2 กโิ ลอเิ ลก็ ตรอนโวลต์ อเิ ลก็ ตรอนมพี ลงั งาน 37.6 อเิ ลก็ ตรอนโวลต์ 18. รา่ งกายมนษุ ยส์ ามารถแผร่ งั สอี นิ ฟราเรดได้ ถา้ ความยาวคลน่ื สงู สดุ ของอนิ ฟราเรดทแ่ี ผอ่ อกมา มคี า่ 9350 นาโนเมตร ควอนตมั ของพลงั งานของอนิ ฟราเรดทร่ี า่ งกายมนษุ ยแ์ ผอ่ อกมามพี ลงั งาน เท่าใด วิธที ำ� ควอนตมั ของพลงั งาน (หรอื โฟตอน) ของคลน่ื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ มพี ลงั งานตามสมการ E = hf ควอนตมั ของพลงั งานของอนิ ฟราเรดทร่ี า่ งกายมนษุ ยแ์ ผอ่ อกมามพี ลงั งาน E hf hc ในทนี่ ี้ h = 6.626 × 10-34 Js , c = 3 × 108 m/s และ = 30 × 10-12 m จะได้ E (6.626 10 34 J s)(3 108 m/s) 9.35 10 6 m E = 0.213 × 10-19 J หรอื E = 0.133 eV สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

98 บทท่ี 19 | ฟสิ กิ ส์อะตอม ฟิสิกส์ เล่ม 6 ควอนตมั ของพลงั งานของอนิ ฟราเรดทร่ี า่ งกายมนษุ ยส์ ามารถแผอ่ อกมามพี ลงั งานเทา่ กับ 2.13 × 10-20 จลู หรือ 0.133 อิเล็กตรอนโวลต์ ตอบ 2.13 × 10-20 จลู หรอื 0.133 อเิ ลก็ ตรอนโวลต์ 19. อเิ ลก็ ตรอนในอะตอมไฮโดรเจนอยใู่ นสถานะพนื้ ตามทฤษฎอี ะตอมของโบร์ สถานะนจี้ ะมพี ลงั งาน -13.6 อเิ ล็กตรอนโวลต์ พลังงานจลน์และพลงั งานศกั ย์ไฟฟา้ ของอเิ ล็กตรอนทีร่ ะดับพลังงานนี้ มคี ่าเท่าใด วิธีทำ� จากทฤษฏอี ะตอมของโบร์ พลงั งานจลนห์ าไดจ้ าก F Fc (1) ke2 จาก r2 m v2 ดงั นั้น mke2 r Ek m2v2r 2 Ek r 1 mv2 2 1 ke2 2r พลังงานศกั ยห์ าไดจ้ ากพลังงานศักย์ไฟฟา้ ของอิเล็กตรอนในวงโคจร Ep ke2 (2) r จากสมการ (1) และ (2) จะได้ Ep = −2Ek (3) ดังน้นั พลังงานรวม E ของอิเลก็ ตรอนในอะตอมไฮโดรเจนที่อย่ใู นสถานะพนื้ หาไดจ้ าก E = Ek + Ep = −Ek (4) 1 E p (5) 2 ถา้ พลงั งานรวมของอเิ ลก็ ตรอนในอะตอมไฮโดรเจนทอ่ี ยใู่ นสถานะพน้ื มคี า่ E = −13.6 eV จากสมการ (4) และ (5) พบวา่ พลงั งานจลนม์ คี า่ Ek = −E = 13.6 eV และพลงั งานศกั ย์ มคี า่ Ep = 2E = −27.2 eV ตามล�ำ ดบั ตอบ 13.6 อเิ ลก็ ตรอนโวลต์ และ −27.2 อเิ ลก็ ตรอนโวลต์ ตามล�ำ ดบั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 บทท่ี 19 | ฟิสกิ ส์อะตอม 99 ปัญหาท้าทาย 20. รงั สีอัลตราไวโอเลตความเขม้ 0.0500 วัตตต์ อ่ ตารางเมตร ตกกระทบต้งั ฉากกับผิวโลหะชนดิ หนง่ึ ทม่ี ฟี งั กช์ นั งาน 5.30 อเิ ลก็ ตรอนโวลต์ และโฟโตอเิ ลก็ ตรอนทห่ี ลดุ ออกมามอี ตั ราเรว็ สงู สดุ 4.20 × 105 เมตรตอ่ วินาที โฟโตอิเล็กตรอนทีห่ ลุดออกมาจากพื้นที่ 1 ตารางเซนตเิ มตร ทกุ 1 วินาที มีจ�ำ นวนเทา่ ใด (สมมตวิ ่าโฟตอนของรงั สีอลั ตราไวโอเลตถูกดูดกลืนทั้งหมด) วิธที ำ� หา hf จากสมการโฟโตอเิ ล็กทรกิ Ek max hf W 1 mvm2 ax hf W 2 1 hf 2 mvm2 ax W ในท่นี ี้ m = 9.11 × 10-31 kg , v = 4.2 × 105 m/s และ W = (5.30 eV)(1.6 × 10-19 J/eV) = 8.48 × 10-19 J จะได้ hf hf = 9.28 × 10-19 J เมื่อ I เป็นพลังงานของรังสีอัลตราไวโอเลตที่ตกกระทบต้ังฉากกับผิวโลหะต่อหนึ่ง หนว่ ยพื้นที่ต่อหนึ่งหนว่ ยเวลาหาไดจ้ ากสมการ I E tA จะได้ E = ItA ในทีน่ ี้ I = 0.0500 W/m2 t = 1 s และ A = 1 cm2 = 10-4 cm2 จะได ้ E = (0.0500 W/m2)(1s)(10-4 m2) E = 5.00 × 10-6 J เมื่อ E เป็นพลังงานท้ังหมดของรังสีอัลตราไวโอเลตท่ีตกกระทบตั้งฉากกับผิวโลหะ จากสมการ E = nhf ในทีน่ ้ี E = 5.00 × 10-6 J และ hf = 9.28 × 10-3 J จะได ้ 5.00 × 10-6 J = n (9.28 × 10-3 J) n = 5.39 × 1012 จำ�นวนอิเล็กตรอนท่ีหลุดออกมาจากพื้นที่ 1 ตารางเซนติเมตรทุก 1 วินาที เท่ากับ 5.39 × 1012 อนภุ าค ตอบ 5.39 × 1012 อนุภาค สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

100 บทที่ 19 | ฟสิ กิ ส์อะตอม ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 21. โฟตอนความยาวคล่ืน 320 นาโนเมตร ตกกระทบผิวโพแทสซียมท่ีมีฟังก์ชันงาน 2.30 อเิ ลก็ ตรอนโวลต์ จะมอี เิ ลก็ ตรอนหลดุ ออกมาหรอื ไม่ ถา้ มี พลงั งานจลนส์ งู สดุ ของโฟโตอเิ ลก็ ตรอน มคี า่ เทา่ ใด และ ถ้าไมม่ พี ลงั งานท่ีต้องเพมิ่ มคี า่ เท่าใด แนวคดิ อเิ ลก็ ตรอนจะหลดุ จากผวิ โพแทสเซยี มกต็ อ่ เมอ่ื โฟตอนของแสงทไ่ี ปตกกระทบมพี ลงั งาน เท่ากับหรือมากกว่าฟงั ก์ชันงานของโพแทสเซยี ม hc โฟตอนความยาวคล่ืน 320 นาโนเมตร มีพลังงานตามสมการ E hf ในที่น ้ี h = 6.626 × 10-34 Js c = 3 × 108 m/s และ = 320 × 10-9 m (6.626 10 34 J s)(3 108 m/s) จะได้ E 320 10 9 m E = 6.212 × 10-19 J หรอื E = 3.88 eV พลังงานของโฟตอนทต่ี กกระทบผวิ โพแทสเซียมมคี า่ มากกว่าฟังก์ชนั งาน 3.88 eV − 2.30 eV = 1.58 eV จึงมีอเิ ล็กตรอนหลุดออกมา โดยมีพลงั งานจลน์ สูงสดุ ของโฟโตอเิ ล็กตรอนมีคา่ เทา่ กบั 1.58 อเิ ล็กตรอนโวลต์ ตอบ 1.58 อิเลก็ ตรอนโวลต์ 22. ในการทดลองปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก โดยการฉายแสงความถ่ี f ไปตกกระทบผิวโลหะ ชนดิ หนง่ึ กราฟความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความตา่ งศกั ยห์ ยดุ ยงั้ (Vs) กบั ความถแี่ สง ( f ) เปน็ ดงั รปู รูป ประกอบปัญหาทา้ ทาย ขอ้ 22 เมอ่ื โฟตอนพลงั งาน 3.6 × 10-19 จลู ตกกระทบแผน่ โลหะ จะมอี เิ ลก็ ตรอนหลดุ ออกมาหรอื ไม่ วธิ ีทำ� อเิ ลก็ ตรอนจะหลดุ จากผวิ โลหะเมอ่ื พลงั งานของแสงทไ่ี ปตกกระทบมคี า่ มากกวา่ ฟงั กช์ นั งาน จากสมการ Ek max = hf − W eVs = hf − W สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 บทที่ 19 | ฟิสกิ ส์อะตอม 101 จากสมการ Vs h Vfs W he โดยf W เปน็ ระยะตดั แกนตงั้ e e e Vจาs กกราฟhe จะfได ้ We = 2.5 V จะได้ ฟังก์ชันงาน W = e (2.5 V) = (1.6 v C)(2.5 V) = 4.0 × 10-19 J จะเหน็ วา่ พลงั งานโฟตอนมคี า่ นอ้ ยกวา่ ฟงั กช์ นั งาน ดงั นน้ั จงึ ไมม่ อี เิ ลก็ ตรอนหลดุ ออกมา ตอบ ไมม่ ีอิเล็กตรอนหลดุ ออกมา 23. ในการทดลองปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกโดยให้คล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้าท่ีมีความเข้มคงตัว I0 แตม่ ีความถต่ี า่ ง ๆ ตกกระทบโลหะชนดิ หนง่ึ พบวา่ พลงั งานจลนส์ งู สดุ Ek max ของโฟโตอเิ ลก็ ตรอน และความถ่ี f ของคลน่ื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ทต่ี กกระทบ มคี วามสมั พนั ธด์ งั กราฟรปู ก. จงใชก้ ราฟรปู ข. (ซึ่งมีสเกลเดยี วกบั รปู ก) ตอบค�ำ ถามต่อไปน้ี ก. ข. รูป ประกอบปญั หาท้าทาย ข้อ 23 ก. ถ้าความเขม้ เพ่ิมเปน็ 2I0 ความสมั พนั ธ์ระหว่าง Ek max และ f จะเป็นเสน้ ใด ข. ถ้าความเขม้ เป็น I0 เท่าเดิม แตเ่ คลอื บผวิ โลหะเดมิ ดว้ ยโลหะใหม่ท่มี ฟี งั ก์ชนั งานเป็น 2 เทา่ ของโลหะเดิม ความสัมพันธ์ระหวา่ ง Ek max และ f จะเปน็ เส้นใด วธิ ที ำ� ก. จากสมการโฟโตอเิ ลก็ ทรกิ Ek max = hf − W เมอ่ื เขยี นกราฟความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งพลงั งานจลนส์ งู สดุ ของโฟโตอเิ ลก็ ตรอน และ ความถ่ี จะพบว่าความเข้มของคล่นื แม่เหล็กไฟฟ้า ไม่มีความเก่ยี วข้องกับความ สัมพันธ์ดังกล่าว ดังนั้นถ้าความเข้มเพ่ิมเป็น 2I0 กราฟ เส้นกราฟท่ีถูกต้องใน รูป ข. จะตอ้ งมี ความชนั และจดุ ตดั แกนเชน่ เดยี วกบั เสน้ กราฟในรปู ก. ค�ำ ตอบ จึงเป็นเส้นกราฟที่ 2 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

102 บทท่ี 19 | ฟิสิกสอ์ ะตอม ฟิสิกส์ เล่ม 6 ข. จากสมการโฟโตอเิ ล็กทรกิ Ek max = hf − W เมอ่ื เขยี นกราฟความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งพลงั งานจลนส์ งู สดุ ของโฟโตอเิ ลก็ ตรอน และ ความถี่ จะพบวา่ ความชนั จะมคี า่ เทา่ กบั h เชน่ เดมิ ส�ำ หรบั จดุ ตดั แกน x พจิ ารณา เมอื่ Ek max = 0 หรือ 0 = hf0 − W f0 W h จุดตดั แกน x จงึ มคี า่ เท่ากับฟังกช์ ันงานของโลหะน้นั ๆ ถา้ เคลือบผวิ โลหะเดิมด้วยโลหะใหม่ที่มีฟังก์ชันงานเป็น 2 เท่าของโลหะเดิม Wnew = 2W ดงั น้นั f0 new = 2f0 จดุ ตดั แกน x ของเสน้ กราฟท่ถี ูกต้องในรปู ข. จะมคี ่าเปน็ 2 เทา่ ของจุดตัดแกน x ในรปู ก. ค�ำ ตอบจงึ เปน็ เส้นกราฟท่ี 3 ตอบ ก. เสน้ ท่ี 2 เพราะพลงั งานจลนส์ งู สดุ ขน้ึ อยกู่ บั ความถข่ี องแสงไมไ่ ดข้ น้ึ กบั ความเขม้ แสง ข. เสน้ ท่ี 3 เพราะกราฟเสน้ 3 มฟี งั กช์ นั งานเปน็ 2 เทา่ ของกราฟในรปู ก และมคี วามถ่ี ขดี เรม่ิ เปน็ 2 เทา่ ของกราฟในรปู ก ดว้ ย 24. ในการศกึ ษาปรากฏการณโ์ ฟโตอเิ ลก็ ทรกิ ผทู้ ดลองไดบ้ นั ทกึ ความถ ่ี f และความตา่ งศกั ยห์ ยดุ ยงั้ Vs ดงั ตาราง f ( 1014 Hz) 12.0 9.5 8.2 5.5 Vs (V) 3.00 2.10 1.60 0.50 ก. เขยี นกราฟระหวา่ ง f กบั Vs โดยให้ f อยบู่ นแกนนอนและ Vs อยู่บนแกนตั้ง ข. จากกราฟในข้อ ก. ความถข่ี ดี เริ่ม ค่าคงตวั พลงั คแ์ ละฟังก์ชันงานมีคา่ ประมาณเทา่ ใด วธิ ที ำ� ก. จากขอ้ มลู ในตารางเขยี นกราฟระหวา่ ง Vs กบั f ไดด้ งั น้ี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 บทที่ 19 | ฟสิ ิกสอ์ ะตอม 103 Vs (V) 3.0 2.5 2.0 1.5 3.0 V 1.0 0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 f ( x1014 Hz) -0.5 8.0 x 1014 Hz -1.0 -1.5 -2.0 รปู ประกอบวิธที �ำ ส�ำ หรับปญั หาท้าทาย ขอ้ 24 ก. ข. จาก eVs + W = hf Vs hf W ee จะไดว้ ่า ความชัน = he และ จดุ ตัดแกVนs y hf W =e e จากรูป กราฟตัดแกนนอนท่ี 4.0 × 1014 Hz ดงั น้นั ความถขี่ ดี เริ่ม f0 = 4.0 × 1014 Hz จากรูป ความชันของเสน้ กราฟ 3.0V 3.75 10-15 Vs 8.0 1014 Hz h แตค่ วามชนั ของกราฟ = e = 3.75 × 10-15 Vs จะได ้ h = (3.75 × 10-15 Vs)(1.60 × 10-19 C) = 6.0 × 10-34 Js จากรูป กราฟตดั แกนตั้งท่ี – 1.5 VVs ดงั นh้ันef W = −1.5 V e จะได ้ W = (1.5V)(1.60 × 10-19 C) = 2.4 × 10-19 J = 1.5 eV ตอบ ความถข่ี ดี เรม่ิ คา่ คงตวั พลงั คแ์ ละฟงั กช์ นั งานมคี า่ ประมาณ 4.0 × 1014 เฮริ ตซ์ , 6.0 × 10-34 จลู วนิ าที และ 2.4 × 10-19 จลู (หรอื 1.5 อเิ ลก็ ตรอนโวลต)์ ตามล�ำ ดบั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

104 บทท่ี 19 | ฟิสิกสอ์ ะตอม ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 25. จงเปรียบเทียบความยาวคล่นื เดอบรอยล์ของอิเล็กตรอนและนิวเคลียสไฮโดรเจนท่ถี ูกเร่งด้วย ความตา่ งศกั ยไ์ ฟฟา้ 300 โวลต์ เทา่ กนั ก�ำ หนดใหม้ วลของนวิ เคลยี สไฮโดรเจนเทา่ กบั 1.67 × 10-27 กโิ ลกรมั วิธีท�ำ หาความยาวคล่นื เดอบรอยล์ของอเิ ลก็ ตรอน จาก e h (1) me ve ในทีน่ ี้ อิเล็กตรอนมีมวล me = 9.11 × 10-31 kg และ ve หาไดด้ ังนี้ อิเลก็ ตรอนท่ีถกู เรง่ ผา่ นความตา่ งศักย์ V จะมพี ลงั งานจลนเ์ ป็น 1 meve 2 eV 2 1 (9.11 10 31 kg) ve 2 (1.60 10 19 C)(300V) 2 ve = 1.027 × 107 m/s แทนคา่ me และ ve ใน (1) จะได้ 6.626 10 34 Js e (9.11 10 31 kg)(1.027 107 m/s) = 7.082 × 10-11 m หาความยาวคลื่นของนวิ เคลยี สไฮโดรเจน จาก H h (2) mHvH ในทนี่ ี้ นวิ เคลียสไฮโดรเจนมีมวล mH = 1.67 × 10-27 kg และ vH หาไดด้ ังนี้ นวิ เคลียสไฮโดรเจนที่ถกู เรง่ ผา่ นความต่างศกั ย์ V มพี ลงั งานจลน์เปน็ 1 2 mHvH 2 qV 1 (1.67 10 27 kg) vH 2 (1.60 10 19 C)(300V) 2 vH = 2.398 × 105 m/s แทนค่า mH และ H ใน (2) จะได้ 6.626 10 34 Js H (1.67 10 27 kg)(2.398 105 m/s) 1.655 10 12 m e 7.082 10 11 m H 1.655 10 12 m e 42.8 H สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เล่ม 6 บทท่ี 19 | ฟิสกิ ส์อะตอม 105 หรอื วธิ เี ปรยี บเทยี บความยาวคลน่ื จากสมการ hp 2mEk และ Ek = qV p เนอื่ งจากทงั้ อเิ ลก็ ตรอนและไฮโดรเจนมขี นาดประจุเท่ากัน และเคลื่อนทผี่ า่ น ความต่างศักย์ไฟฟา้ V เทา่ กัน จึงมพี ลังงานจลนเ์ ท่ากนั เมือ่ จดั รปู e h / pe H h / pH pH pe 2mH Ek 2me Ek mH me แทนค่า จะได้ e 1.67 10 27 kg H 9.11 10 31kg 42.8 e 42.8 H ตอบ ความยาวคลน่ื เดอบรอยลข์ องอเิ ลก็ ตรอนมคี า่ ประมาณ 42.8 เทา่ ของความยาวคลน่ื เดอบรอยล์ ของนวิ เคลยี สไฮโดรเจน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

106 บทที่ 20 | ฟสิ ิกสน์ วิ เคลยี ร์และฟิสิกส์อนุภาค ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 ฟสิ กิ สน์ วิ เคลยี รแ์ ละฟสิ กิ สอ์ นภุ าค ipst.me/11456 ผลการเรยี นรู้ 1. อธบิ ายแรงนวิ เคลยี ร์ เสถยี รภาพของนวิ เคลยี ส และพลงั งานยดึ เหนย่ี ว รวมทง้ั ค�ำ นวณปรมิ าณตา่ ง ๆ ที่เก่ียวขอ้ ง 2. อธบิ ายกัมมนั ตภาพรงั สแี ละความแตกตา่ งของรังสแี อลฟา บตี าและแกมมา 3. อธบิ าย และค�ำ นวณกมั มนั ตภาพของนวิ เคลยี สกมั มนั ตรงั ส ี รวมทงั้ ทดลอง อธบิ าย และค�ำ นวณ จ�ำ นวนนวิ เคลยี สกัมมันตภาพรังสที ีเ่ หลอื จากการสลาย และครึ่งชีวติ 4. อธิบายปฏิกริ ยิ านิวเคลยี ร์ ฟิชชัน และฟวิ ชนั รวมท้ังค�ำ นวณพลงั งานนิวเคลยี ร์ 5. อธบิ ายประโยชนข์ องพลงั งานนวิ เคลยี ร์ และรงั สี รวมทง้ั อนั ตรายและการปอ้ งกนั รงั สใี นดา้ นตา่ ง ๆ 6. อธิบายการค้นคว้าวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาค แบบจำ�ลองมาตรฐาน และการใช้ประโยชน์จากการ ค้นคว้าวจิ ัยด้านฟิสิกส์อนภุ าคในดา้ นต่าง ๆ การวเิ คราะหผ์ ลการเรียนรู้ ผลการเรียนรู้ 1. อธบิ ายแรงนวิ เคลยี ร์ เสถยี รภาพของนวิ เคลยี ส และพลงั งานยดึ เหนย่ี ว รวมทง้ั ค�ำ นวณปรมิ าณตา่ ง ๆ ทเ่ี ก่ียวขอ้ ง จุดประสงคก์ ารเรียนรู้ 1. อธบิ ายธรรมชาตขิ องแรงนวิ เคลยี ร์ 2. อธิบายความสัมพนั ธร์ ะหว่างแรงนิวเคลียรก์ บั เสถยี รภาพของนิวเคลียส 3. อธบิ ายความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งพลงั งานยดึ เหนย่ี วกับสว่ นพรอ่ งมวล 4. คำ�นวณพลังงานยึดเหนยี่ วและพลังงานยดึ เหนี่ยวตอ่ นิวคลอี อน 5. อธบิ ายความสัมพนั ธ์ระหวา่ งพลังงานยดึ เหนย่ี วกับเสถยี รภาพของนวิ เคลยี ส สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟิสกิ ส์นวิ เคลียรแ์ ละฟสิ กิ สอ์ นุภาค 107 ทักษะกระบวนการทาง ทักษะแหง่ ศตวรรษท่ี 21 จิตวิทยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์ 1. การแกป้ ญั หา (การทำ� 1. ดา้ นความมีเหตผุ ล ความ 1. การใชจ้ ำ�นวน (การคำ�นวณ แบบฝึกหัด) รอบคอบ (จากการอภิปราย ปริมาณต่าง ๆ ทเ่ี กีย่ วกบั ร่วมกนั และการทำ� พลังงานยึดเหน่ียว และ แบบฝกึ หัด) พลังงานยดึ เหนย่ี วตอ่ นวิ คลอี อน) ผลการเรยี นรู้ 2. อธบิ ายกัมมนั ตภาพรงั สีและความแตกตา่ งของรังสีแอลฟา บตี าและแกมมา จุดประสงคก์ ารเรยี นรู้ 1. บอกความหมายของกัมมันตภาพรงั สี ธาตุกัมมันตรังสี และ ไอโซโทปกัมมนั ตรังสี 2. ระบชุ นิดและบอกสมบตั ิของรังสที ี่แผ่ออกมาจากธาตแุ ละไอโซโทปกมั มันตรงั สี 3. เขียนสมการของการสลายให้รังสแี อลฟา บีตา และ แกมมา ทักษะกระบวนการทาง ทักษะแห่งศตวรรษที่ 21 จติ วิทยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์ 1. การส่อื สาร (การอภิปราย 1. ดา้ นความมเี หตผุ ล ความ 1. การจำ�แนกประเภท (การ รว่ มกนั และการนำ� รอบคอบ (จากการอภิปราย จ�ำ แนกชนดิ ของรงั ส)ี เสนอผล) รว่ มกนั และการทำ� 2. การจัดกระท�ำ และสื่อ แบบฝึกหัด) ความหมายขอ้ มลู (การเขยี น สมการการสลาย) 3. การใช้จ�ำ นวน (การคำ�นวณ ปริมาณตา่ ง ๆ ทเี่ กย่ี วกบั เลขมวล เลขอะตอม และ ประจุไฟฟ้า) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

108 บทที่ 20 | ฟิสกิ ส์นวิ เคลยี ร์และฟิสกิ ส์อนภุ าค ฟิสิกส์ เลม่ 6 ผลการเรียนรู้ 3. อธบิ าย และค�ำ นวณกมั มนั ตภาพของนวิ เคลยี สกมั มนั ตรงั ส ี รวมทงั้ ทดลอง อธบิ าย และค�ำ นวณ จำ�นวนนิวเคลยี สกัมมันตภาพรงั สีทเ่ี หลอื จากการสลาย และครง่ึ ชวี ิต จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. บอกความหมายและคำ�นวณกมั มนั ตภาพ 2. ทดลองเพือ่ อธิบายการสลายของนิวเคลยี สกมั มนั ตรงั สแี ละครึง่ ชีวิต 3. ค�ำ นวณจำ�นวนนิวเคลยี สกมั มนั ตรงั สีที่เหลือจากการสลายและครึ่งชวี ิต ทักษะกระบวนการทาง ทักษะแห่งศตวรรษที่ 21 จิตวทิ ยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์ 1. การแกป้ ญั หา (การท�ำ 1. ดา้ นความซอ่ื สตั ย์ ความรอบ 1. การใช้จ�ำ นวน (การค�ำ นวณ แบบฝึกหัด) คอบ และความเชอื่ มน่ั ตอ่ กมั มันตภาพ ครึ่งชวี ิต และ 2. การสอื่ สารสารสนเทศและ หลักฐาน จากรายงานผล ปรมิ าณตา่ ง ๆ ทเ่ี กยี่ วกบั การ การรเู้ ทา่ ทนั สอ่ื (การอภปิ ราย การทดลอง สลาย) รว่ มกันและการน�ำ เสนอ 2. ดา้ นความพยายามมุ่งมัน่ 2. การจดั กระท�ำ และสือ่ ความ ผลการทดลอง) ความรับผดิ ชอบและความ หมายขอ้ มลู (การเขยี นกราฟ 3. ความรว่ มมือการทำ�งาน รว่ มมือช่วยเหลือ จากการ และบรรยายความสัมพันธ์) เปน็ ทมี และภาวะผนู้ �ำ (การ ทำ�การทดลอง และการ 3. การตคี วามหมายขอ้ มลู และ รว่ มมือกนั ทำ�การทดลอง) อภิปรายร่วมกัน ลงขอ้ สรปุ (จากการอภปิ ราย 3. ความอยากรอู้ ยากเหน็ จาก และสรุปผลการทดลอง) การอภิปรายร่วมกนั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เล่ม 6 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ ส์นวิ เคลียรแ์ ละฟิสกิ สอ์ นภุ าค 109 ผลการเรยี นรู้ 4. อธิบายปฏกิ ริ ยิ านวิ เคลียร์ ฟิชชัน และฟวิ ชนั รวมทงั้ คำ�นวณพลงั งานนวิ เคลยี ร์ จดุ ประสงคก์ ารเรียนรู้ 1. บอกความหมายของปฏิกิรยิ านวิ เคลยี ร์ 2. อธบิ ายฟิชชันและความสัมพันธร์ ะหว่างมวลกบั พลงั งานท่ีปลดปล่อยออกมาจากฟิชชัน 3. คำ�นวณพลังงานนวิ เคลยี รท์ ี่ปลดปลอ่ ยออกจากฟิชชัน 4. อธบิ ายฟิวชนั และความสมั พันธ์ระหวา่ งมวลกับพลงั งานทป่ี ลดปล่อยออกมาจากฟิวชนั 5. คำ�นวณพลังงานนวิ เคลยี รท์ ี่ปลดปล่อยออกจากฟิวชัน ทกั ษะกระบวนการทาง ทกั ษะแหง่ ศตวรรษที่ 21 จติ วทิ ยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์ 1. การสือ่ สารสารสนเทศ 1. ด้านความมีเหตุผล ความ 1. การใชจ้ �ำ นวน (การค�ำ นวณ และการรเู้ ท่าทนั ส่อื (การ รอบคอบ (จากการอภปิ ราย สว่ นพรอ่ งมวล และพลงั งาน อภิปรายร่วมกันและการ ร่วมกนั และการทำ�แบบ นวิ เคลยี รท์ ป่ี ลดปลอ่ ยออก นำ�เสนอ) ฝกึ หดั ) มาจากฟชิ ชนั และฟวิ ชนั ) 2. ความร่วมมือการทำ�งาน 2. ความอยากรอู้ ยากเห็น 2. การจ�ำ แนกประเภท (การจ�ำ เปน็ ทมี และภาวะผนู้ �ำ (การ (จากการอภปิ รายร่วมกัน) แนกปฏกิ ริ ยิ านวิ เคลยี รแ์ บบ รว่ มมอื กันท�ำ กจิ กรรม) ฟชิ ชนั กบั ฟวิ ชนั ) 3. การแกป้ ญั หา (การท�ำ แบบฝึกหดั ) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

110 บทท่ี 20 | ฟสิ ิกสน์ วิ เคลยี รแ์ ละฟิสกิ สอ์ นภุ าค ฟิสิกส์ เลม่ 6 ผลการเรยี นรู้ 5. อธิบายประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์ และรังสี รวมทั้ง อันตรายและการป้องกันรังสีในด้าน ตา่ ง ๆ จดุ ประสงค์การเรยี นรู้ 1. บอกแนวทางการนำ�พลงั งานนิวเคลียรไ์ ปใชป้ ระโยชน์ 2. ยกตัวอยา่ งการน�ำ รงั สีไปใช้ประโยชน์ในดา้ นตา่ ง ๆ 3. ยกตัวอยา่ งอันตรายจากรังสีทมี่ ีตอ่ รา่ งกาย 4. บอกวธิ ีการป้องกันอนั ตรายจากรังสี ทักษะกระบวนการทาง ทักษะแหง่ ศตวรรษท่ี 21 จติ วทิ ยาศาสตร์ วทิ ยาศาสตร์ 1. การสอื่ สารสารสนเทศและ 1. ดา้ นการใชว้ จิ ารณญาณ - การรเู้ ทา่ ทนั สอ่ื (การสบื คน้ (จากขอ้ มลู ท่นี �ำ เสนอและ ข้อมูล การอ้างองิ แหลง่ ที่ การนำ�เสนอ) มาของข้อมูล การเปรียบ 2. ดา้ นความยอมรบั ความเหน็ เทยี บความถกู ตอ้ งของขอ้ ตา่ ง ความใจกวา้ ง (จากการ มูลการอภปิ รายรว่ มกัน อภิปรายรว่ มกัน) และการนำ�เสนอ) 3. ดา้ นการเห็นความส�ำ คญั 2. ความรว่ มมือการท�ำ งาน และคณุ คา่ ของวทิ ยาศาสตร์ เปน็ ทมี และภาวะผนู้ �ำ (การ (จากการอภปิ รายร่วมกนั ) ร่วมมือกันสืบคน้ จดั กระทำ�และนำ�เสนอผล การสืบคน้ ) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟสิ ิกส์นวิ เคลียรแ์ ละฟิสกิ ส์อนภุ าค 111 ผลการเรียนรู้ 6. อธบิ ายการคน้ ควา้ วจิ ยั ดา้ นฟสิ กิ สอ์ นภุ าค แบบจ�ำ ลองมาตรฐาน และการใชป้ ระโยชนจ์ ากการคน้ คว้าวิจยั ด้านฟสิ กิ ส์อนุภาคในดา้ นตา่ ง ๆ จุดประสงคก์ ารเรียนรู้ 1. ยกตัวอยา่ งการค้นควา้ วจิ ัยท่คี น้ พบอนภุ าคมลู ฐาน 2. ระบุชนดิ และสมบัติของอนุภาคมลู ฐาน 3. อธิบายพฤตกิ รรมและอันตรกิริยาของอนภุ าคมลู ฐานโดยอาศัยแบบจ�ำ ลองมาตรฐาน 4. ยกตัวอยา่ งประโยชน์ท่ีไดจ้ ากการคน้ ควา้ วิจยั ด้านฟิสกิ สอ์ นภุ าค ทกั ษะกระบวนการทาง ทักษะแห่งศตวรรษท่ี 21 จติ วิทยาศาสตร์ วทิ ยาศาสตร์ 1. การส่ือสารสารสนเทศ 1. ดา้ นการใชว้ จิ ารณญาณ 1. การจ�ำ แนกประเภท (การ และการร้เู ทา่ ทันสือ่ (การ (จากข้อมลู ทน่ี ำ�เสนอและ จ�ำ แนกอนภุ าคมลู ฐานกับ สืบค้นข้อมูล การอ้างอิง การน�ำ เสนอ) อนุภาคทม่ี อี งคป์ ระกอบ แหลง่ ท่มี าของขอ้ มลู การ 2. ดา้ นความยอมรบั ความตา่ ง ภายใน การจดั กลมุ่ อนภุ าค เปรียบเทยี บความถูกตอ้ ง ความใจกวา้ ง และ การเหน็ ตามแบบจ�ำ ลองมาตรฐาน) ของข้อมลู การอภปิ ราย ความส�ำ คญั และคณุ คา่ ของ รว่ มกันและการน�ำ เสนอ) วทิ ยาศาสตร์ (จากการ 2. ความรว่ มมอื การทำ�งาน อภิปรายรว่ มกนั ) เปน็ ทมี และภาวะผนู้ �ำ (การ 3. ด้านความพยายามม่งุ มน่ั รว่ มมอื กนั สบื คน้ จดั กระท�ำ ความรบั ผดิ ชอบ และความ และนำ�เสนอผลการ รว่ มมอื ชว่ ยเหลือ (จากการ สืบคน้ ) ร่วมมอื สบื ค้น จดั ทำ�สือ่ 3. การสร้างสรรค์และ ประกอบการน�ำ เสนอ และ นวตั กรรม (สื่อประกอบ การน�ำ เสนอ) การน�ำ เสนอ) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

112 บทท่ี 20 | ฟิสกิ สน์ วิ เคลยี ร์และฟสิ กิ สอ์ นภุ าค ฟสิ ิกส์ เล่ม 6 ผงั มโนทศั น์ ฟิสิกส์นิวเคลียรแ์ ละฟิสกิ สอ์ นภุ าค ฟสิ กิ สน์ วิ เคลยี ร์ ฟสิ กิ สอ์ นภุ าค แรงนวิ เคลยี ร์ โปรตอน ไอโซโทป เครอ่ื งเรง่ อนภุ าคและ กลศาสตร์ และ นวิ ตรอน เครอ่ื งตรวจวดั อนภุ าค ควอนตัม เกย่ี วขอ้ งกับ การคน้ พบรงั สี เกย่ี วขอ้ งกับ เสถยี รภาพของนวิ เคลยี ส จากผลกึ แร่ การคน้ ควา้ วจิ ยั ดา้ นฟสิ กิ สอ์ นภุ าค ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง นาํ ไปสกู่ ารคน้ พบ มวลและพลงั งาน อนภุ าคและปฏยิ านภุ าค นาํ ไปคาํ นวณ นาํ ไปอธบิ าย เกย่ี วขอ้ งกบั การคน้ พบ นวิ ทรโิ น ควาร์ก พลงั งานยดึ เหนย่ี ว กมั มนั ตภาพรงั สี มซี อนและ ของนวิ คลอี อน มวิ ออน ขน้ึ กับ เกย่ี วขอ้ งกับ พลงั งานยดึ เหนย่ี ว การสลายของ แสดงไดด้ ว้ ย นาํ ไปสู่ ตอ่ นวิ คลอี อน นวิ เคลยี สกมั มนั ตรงั สี แบบจาํ ลองมาตรฐาน นาํ ไปอธบิ าย นาํ ไปอธบิ าย สมการการสลาย เกย่ี วขอ้ งกับ และคาํ นวณ การใชป้ ระโยชน์ อนั ตรายจาก กมั มนั ตภาพและ อนภุ าค จากรงั สี รงั สแี ละ จาํ นวนนวิ เคลยี สที่ สสาร เหลอื จากการสลาย การปอ้ งกัน นาํ ไปอธบิ าย อนภุ าค และคาํ นวณ สอ่ื แรง ครง่ึ ชวี ิต นาํ ไป อนภุ าค ฮกิ สโ์ บซอน อธบิ าย คาํ นวณ ปฏกิ ริ ยิ านวิ เคลยี ร์ พลงั งานนวิ เคลยี ร์ นาํ ไปสู่ ฟชิ ชนั และ ฟวิ ชัน การใชป้ ระโยชนจ์ ากฟสิ กิ สอ์ นภุ าค สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ ส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค 113 สรปุ แนวความคดิ สำ�คญั ภายในนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนซ่ึงมีประจุบวกและนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า เรียกอนุภาคท้ังสองว่า นิวคลีออน (nucleon) การท่ีนิวคลีออนอยู่รวมกันได้ในนิวเคลียสเน่ืองจากมี แรงนวิ เคลยี ร์ (nuclear force) ซง่ึ มคี า่ มากกวา่ แรงผลกั ทางไฟฟา้ ยดึ เหนย่ี วนวิ คลอี อนไว้ แรงนวิ เคลยี รเ์ ปน็ แรงดงึ ดดู ทส่ี ง่ ผลเฉพาะในระยะใกลม้ าก ไมข่ น้ึ กบั ประจแุ ละมวลของนวิ คลอี อน การทนี่ วิ เคลยี สของธาตแุ ละ ไอโซโทปของธาตุหลายชนดิ มเี สถยี รภาพหรือไมเ่ ปลีย่ นแปลงตามเวลา เนอ่ื งจากมีแรงนิวเคลียรท์ ม่ี ากพอ การท�ำ ใหน้ วิ คลอี อนแยกออกจากกนั ตอ้ งใหพ้ ลงั งานแกน่ วิ เคลยี ส โดยพลงั งานทพี่ อดที �ำ ใหน้ วิ คลอี อน ทง้ั หมดในนวิ เคลยี สแยกออกจากกนั เรยี กวา่ พลงั งานยดึ เหนย่ี ว (binding energy หรอื nuclear binding energy, E) พลังงานยดึ เหนีย่ วมคี ่าเทียบเทา่ กบั ส่วนของมวลทแ่ี ตกต่างระหว่างมวลของนิวเคลยี สกับมวล รวมของนวิ คลอี อนทง้ั หมดในนวิ เคลยี ส เรยี กวา่ สว่ นพรอ่ งมวล (mass defect, Δm) ตามสมการ E = (Δm)c2 การพิจารณาเสถียรภาพของนิวเคลียสสามารถพิจารณาได้จาก พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน ของนิวเคลยี สของธาตหุ รอื ไอโซโทปของธาตุนน้ั เขยี นสมการไดเ้ ป็น E ( m)c2 AA ธาตทุ ม่ี นี วิ เคลยี สไมเ่ สถยี รจะแผร่ งั สอี อกมาไดเ้ องอยา่ งตอ่ เนอ่ื ง เรยี กปรากฏการณน์ ว้ี า่ กมั มนั ตภาพรงั สี (radioactivity) โดยไอโซโทปของธาตทุ สี่ ามารถแผร่ งั สไี ดเ้ องเรยี กวา่ ไอโซโทปกมั มนั ตรงั สี (radioactive isotope) สว่ นธาตทุ ท่ี กุ ไอโซโทปเปน็ ไอโซโทปกมั มนั ตรงั สี เรยี กวา่ ธาตกุ มั มนั ตรงั สี (radioactive element) รงั สที แ่ี ผอ่ อกมาจากธาตแุ ละไอโซโทปกมั มนั ตรงั สสี ว่ นใหญม่ ี 3 ชนดิ ไดแ้ ก่ รงั สแี อลฟา (alpha ray) รงั สีบีตา (beta ray) และรังสีแกมมา (gamma ray) ซง่ึ รังสีแต่ละชนดิ มอี งค์ประกอบ ประจไุ ฟฟ้า มวล อำ�นาจทะลุผา่ น และ สมบตั ิอน่ื ๆ แตกต่างกนั การแผ่รังสีของธาตุและไอโซโทปกัมมันตรังสีมีสาเหตุมาจากการที่นิวเคลียสไม่เสถียรมีการเปลี่ยน แปลงเพ่อื ให้มเี สถียรภาพมากกว่าเดมิ โดยอาจเปล่ยี นไปเปน็ นิวเคลียสชนดิ ใหมห่ รือเปลี่ยนไปอยู่ในระดบั พลังงานต่ำ�กว่าเดิม เรียกกระบวนการเปล่ียนแปลงนี้กว่า การสลายกัมมันตรังสี (radioactive decay) หรอื การสลาย (decay) นวิ เคลยี สที่ไม่เสถียรและมกี ารสลายเรยี กวา่ นิวเคลยี สกัมมนั ตรังสี (radioactive nucleus) โดย กระบวนการทนี่ วิ เคลยี สกมั มนั ตรงั สมี กี ารสลายแลว้ ใหอ้ นภุ าคแอลฟา อนภุ าคบตี า หรอื รงั สแี กมมา ออกมา เรยี กว่า การสลายให้แอลฟา (alpha decay) การสลายให้บตี า (beta decay) และ การสลายให้แกมมา (gamma decay) ตามลำ�ดับ ซึง่ แต่ละกระบวนการ สามารถอธบิ ายได้ดว้ ย สมการการสลาย ทผี่ ลรวมของ เลขอะตอมและผลรวมของเลขมวลก่อนและหลังการสลายมีคา่ เท่ากัน ดังน้ี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

114 บทท่ี 20 | ฟิสกิ ส์นวิ เคลียร์และฟิสกิ สอ์ นุภาค ฟสิ ิกส์ เล่ม 6 การสลายให้แอลฟา AZX A 42Y 4 He Z 2 การสลายใหบ้ ีตาลบ A X ZA1Y 01e e Z การสลายใหบ้ ีตาบวก A X ZA1Y 01e e Z การสลายให้แกมมา A X* A X Z Z อตั ราการสลาย หรอื อตั ราการแผร่ งั สอี อกมาในขณะหนง่ึ ของธาตกุ มั มนั ตรงั สี เรยี กวา่ กมั มนั ตภาพ (activity) ซง่ึ มคี า่ แปรผนั ตรงกบั จ�ำ นวนนวิ เคลยี สของธาตกุ มั มนั ตรงั สที ม่ี อี ยใู่ นขณะนน้ั ตามสมการ A = λN โดย λ คือค่าคงตัวการสลาย (decay constant) ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งจ�ำ นวนนวิ เคลยี สของธาตกุ มั มนั ตรงั สที เี่ หลอื หลงั การสลายกบั เวลา เปน็ ไปตาม สมการ Nเรยี =กวNา่ 0คeร-λ่งึt ชซ่งึวี ชิตว่ (งhเวaลlfา-ทliี่นfeวิ )เคขลอียงสธขาตอกุงธัมามตนั ุกตมั รมงั ันสีตเรขังียสนีสแลทานยจดนว้ ยเหสลัญอื ลจกั �ำ ษนณวน์ Tค1รงึ่ โหดนยlงึ่คnขร2อง่ึ ชงจวี �ำติ นขวอนง เริ่มต้น ธาตหุ รอื ไอโซโทปกมั มนั ตรงั สขี นึ้ อยกู่ ับค่าคงตัวการสลาย ตามสมการ T1 ln 2 2 2 กระบวนการท่ีนิวเคลียสมีการเปล่ียนแปลงองค์ประกอบภายในเมื่อได้รับการกระตุ้น เรียกว่า ปฏกิ ริ ยิ านวิ เคลยี ร์ (nuclear reaction) ซงึ่ ปฏกิ ิริยานวิ เคลียรท์ ่นี ิวเคลยี สมวลมากแยกออกเปน็ นิวเคลียส ท่ีมมี วลนอ้ ยกว่า เรียกวา่ ฟิชชนั (fission) สว่ นปฏิกิริยาทีน่ วิ เคลียสท่มี ีมวลน้อยรวมกันเปน็ นวิ เคลียสท่ีมี มวลมาก เรยี กว่า ฟิวชนั (fusion) พลังงานทป่ี ลอ่ ยออกมาจากฟิชชันและฟวิ ชัน เรยี กว่า พลังงานนวิ เคลยี ร์ (nuclear energy) ซงึ่ มี คา่ เทียบเทา่ สว่ นของมวลทหี่ ายไปหลงั การเกิดฟิชชันและฟิวชัน ตามสมการ E = (Δm)c2 พลังงานนิวเคลียร์จากฟิชชัน สามารถนำ�ไปใช้ผลิตกระแสไฟฟ้า โดยมีอุปกรณ์สำ�คัญคือ เคร่ืองปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (nuclear reactor) ท่ีใช้สร้างและควบคุมให้เกิดฟิชชันอย่างต่อเน่ืองท่ีเรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction) เพ่ือการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ในปริมาณอย่างเหมาะสม ส่วน พลงั งานนิวเคลียรจ์ ากฟิวชนั ยงั อยใู่ นข้นั ตอนการศกึ ษาวิจัยเพ่ือการน�ำ มาใช้ประโยชน์ รังสีจากธาตุและไอโซโทปกัมมันตรังสีสามารถนำ�มาใช้ประโยชน์ได้หลากหลายด้าน เช่น ด้านการ แพทย์ ดา้ นเกษตรกรรม ดา้ นอตุ สาหกรรม ดา้ นความปลอดภยั แตใ่ นขณะเดยี วกนั ตอ้ งมกี ารปอ้ งกนั อนั ตราย จากรังสที ่ีอาจเกิดขึน้ ถึงแม้ร่างกายของมนุษย์จะได้รับรังสีจากส่ิงแวดล้อมตลอดเวลา แต่มีปริมาณไม่มาก จึงไม่ทำ�ให้ เกดิ อนั ตราย ถา้ ทราบวา่ อยใู่ กลบ้ รเิ วณทม่ี แี หลง่ ก�ำ เนดิ รงั สี หรอื จ�ำ เปน็ ตอ้ งท�ำ งานเกย่ี วกบั รงั สี ควรปอ้ งกนั อนั ตรายทอี่ าจเกดิ จากรงั สโี ดยมหี ลกั การส�ำ คญั คอื การพยายามอยหู่ า่ งจากแหลง่ ก�ำ เนดิ รงั สใี หม้ ากทสี่ ดุ การ พยายามใชเ้ วลาทอ่ี ยใู่ กลแ้ หลง่ ก�ำ เนดิ รงั สใี หน้ อ้ ยทสี่ ดุ และ มกี ารใชว้ สั ดกุ �ำ บงั รงั สใี นกรณที ต่ี อ้ งท�ำ งานเกยี่ ว กับรงั สี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 บทที่ 20 | ฟิสกิ สน์ วิ เคลียรแ์ ละฟสิ ิกสอ์ นุภาค 115 ในการศกึ ษาองคป์ ระกอบพนื้ ฐานของสสาร นอกจาก โปรตอน นวิ ตรอน และอเิ ลก็ ตรอน นกั ฟสิ กิ ส์ ยงั ไดม้ กี ารคน้ พบอนภุ าคอน่ื ๆ อกี เปน็ จ�ำ นวนมาก โดยอาศยั เครอ่ื งมอื ทส่ี �ำ คญั 2 ชนดิ คอื เครอ่ื งเรง่ อนภุ าค (particle accelerator) และ เครอ่ื งตรวจวดั อนภุ าค (particle detector) เชน่ การใชเ้ ครอ่ื งตรวจวดั อนภุ าค ห้องหมอก (cloud chamber) ค้นพบโพซิตรอน (positron) ซึ่งเป็นปฏิยานุภาค (antiparticle) ของอเิ ล็กตรอน หรือ การใช้เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงที่ยาวกว่า 3.2 กโิ ลเมตรค้นพบควาร์ก (quark) อนุภาคท่ีนักฟิสิกส์ค้นพบ มีทั้งอนุภาคท่ีไม่มีองค์ประกอบภายใน เรียกว่า อนุภาคมูลฐาน (elementary particle) และ อนภุ าคทม่ี อี งคป์ ระกอบภายใน ซง่ึ สาขาทางฟสิ กิ สท์ ศ่ี กึ ษาเกย่ี วกบั ธรรมชาติ ของอนภุ าคตา่ ง ๆ และอนั ตรกริ ยิ าทอ่ี นภุ าคเหลา่ นม้ี ตี อ่ กนั เรยี กวา่ สาขา ฟสิ กิ สอ์ นภุ าค (particle physics) แนวคดิ และทฤษฎีต่าง ๆ ท่ีใช้อธิบายพฤติกรรมและอนั ตรกิรยิ าระหว่างอนุภาคตา่ ง ๆ ได้รวบรวม ไวใ้ นแบบจ�ำ ลองทเี่ รยี กวา่ แบบจ�ำ ลองมาตรฐาน (the Standard Model) ซงึ่ ไดแ้ บง่ อนภุ าคมลู ฐานออกเปน็ 3 กลมุ่ ไดแ้ ก่ อนุภาคสสาร (matter particle) อนภุ าคส่ือแรง (force-carrier particle) และ อนภุ าค ฮกิ ซ์โบซอน (Higgs boson) ในแบบจำ�ลองมาตรฐาน ภายในโปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์ก (quark) ท่ีมีการแลก เปล่ยี นกลูออน (gluon) ระหวา่ งกนั ทำ�ให้เกดิ แรงเขม้ (strong force) ท่ียึดเหนย่ี วให้ควาร์กอยูร่ วมกัน โดยผลข้างเคียงของแรงเข้มระหว่างควาร์กทำ�ให้มีแรงนิวเคลียร์ที่ยึดเหน่ียวนิวคลีออนให้อยู่รวมกันใน นิวเคลียส ส่วนการสลายให้บีตาเป็นกระบวนการที่ควาร์กในนิวคลีออนมีการเปล่ียนชนิด โดยมีแรงอ่อน (weak force) มาเกี่ยวขอ้ ง ทง้ั นี้ แรงออ่ นมดี ับเบลิ ยโู บซอน (W-boson) และซีโบซอน (Z-boson) เปน็ อนุภาคส่ือแรง การค้นคว้าวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาค ได้นำ�ไปสู่การประยุกต์ใช้ในด้าน ๆ ต่าง เช่น ด้านการแพทย์ ด้านอตุ สาหกรรม ดา้ นความปลอดภยั และ ด้านเทคโนโลยีสารสนเทศ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

116 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ ส์นิวเคลยี รแ์ ละฟสิ ิกส์อนุภาค ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 เวลาทีใ่ ช้ 5 ชัว่ โมง 12 ชว่ั โมง บทนคี้ วรใช้เวลาสอนประมาณ 30 ชัว่ โมง 4 ชัว่ โมง 20.1 เสถยี รภาพของนวิ เคลยี ส 3 ชวั่ โมง 6 ชวั่ โมง 20.2 กัมมันตภาพรังส ี 20.3 ปฏิกิรยิ านวิ เคลียรแ์ ละพลงั งานนิวเคลยี ร ์ 20.4 ประโยชน์ และการป้องกนั อันตรายจากรงั สี 20.5 ฟิสิกส์อนุภาค ความรู้ก่อนเรยี น แรง พลงั งาน ไฟฟา้ สถติ แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ คลน่ื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ โครงสรา้ งอะตอม ครนู ำ�เขา้ สู่บทท่ี 20 โดยใชร้ ูปนำ�บท หรอื สอื่ ตา่ ง ๆ เชน่ ภาพน่งิ หรือ คลิปวดี ิทศั น์ แสดงใหเ้ ห็น ประโยชนข์ องรงั สที างฟสิ กิ สน์ วิ เคลยี รห์ รอื ประโยชนท์ ไ่ี ดจ้ ากความรทู้ างฟสิ กิ สน์ วิ เคลยี ร์ เชน่ การใชร้ งั สใี น ด้านอตุ สาหกรรมอญั มณีทช่ี ว่ ยเพ่ิมมลู คา่ ทางเศรษฐกจิ หรอื การใช้รังสใี นการตรวจวนิ จิ ฉัยและรักษาโรค มะเรง็ จากนน้ั ตง้ั ค�ำ ถามใหน้ กั เรยี นอภปิ รายรว่ มกนั วา่ รงั สที างฟสิ กิ สน์ วิ เคลยี รแ์ ตกตา่ งจากรงั สที นี่ กั เรยี น เคยไดเ้ รยี นรมู้ าอยา่ งไร รงั สเี กยี่ วขอ้ งกบั นวิ เคลยี สของอะตอมหรอื ไม่ อยา่ งไร โดยครเู ปดิ โอกาสใหน้ กั เรยี น แสดงความคดิ เหน็ อย่างอสิ ระ ไมค่ าดหวงั ค�ำ ตอบทถ่ี กู ต้อง ครูตั้งคำ�ถามให้นักเรียนอภิปรายเพิ่มเติมเพื่อเช่ือมโยงถึงความรู้เดิมที่นักเรียนเคยได้ศึกษามาเกี่ยว กบั โครงสรา้ งอะตอมและพฤตกิ รรมของอะตอม เชน่ ในนวิ เคลยี สมโี ครงสรา้ งอยา่ งไร และพฤตกิ รรมตา่ ง ๆ ของนวิ เคลยี ส จะเหมอื นหรอื แตกตา่ งจากพฤตกิ รรมของอะตอมหรอื ไม่ โดยครเู ปดิ โอกาสใหน้ กั เรยี นแสดง ความคดิ เหน็ อย่างอสิ ระ ไมค่ าดหวงั คำ�ตอบทีถ่ ูกตอ้ ง ครูชแี้ จงค�ำ ถามส�ำ คญั ท่นี กั เรียนจะตอ้ งตอบได้หลงั จากการเรยี นรู้บทท่ี 20 รวมทั้งหวั ขอ้ หลักต่าง ๆ ทง้ั หมดทน่ี กั เรยี นจะไดเ้ รียนรใู้ นบทท่ี 20 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟสิ ิกสน์ วิ เคลียรแ์ ละฟสิ ิกสอ์ นุภาค 117 20.1 เสถยี รภาพของนวิ เคลยี ส จดุ ประสงคก์ ารเรยี นรู้ 1. อธบิ ายธรรมชาตขิ องแรงนวิ เคลยี ร์ 2. อธิบายความสมั พันธ์ระหว่างแรงนิวเคลียรก์ บั เสถยี รภาพของนวิ เคลยี ส 3. อธบิ ายความสัมพันธ์ระหว่างพลงั งานยึดเหนี่ยวกับสว่ นพร่องมวล 4. คำ�นวณพลงั งานยึดเหน่ียวและพลังงานยึดเหนีย่ วตอ่ นิวคลีออน 5. อธบิ ายความสมั พันธร์ ะหวา่ งพลงั งานยึดเหน่ียวกบั เสถียรภาพของนวิ เคลียส แนวการจดั การเรียนรู้ ครูนำ�เข้าสู่หัวข้อ 20.1 โดยทบทวนความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบภายในนิวเคลียส ที่นักเรียน ไดเ้ รยี นรมู้ า จากนนั้ ตง้ั ค�ำ ถามใหน้ กั เรยี นอภปิ รายรว่ มกนั วา่ เพราะเหตใุ ด โปรตอนทมี่ ปี ระจไุ ฟฟา้ บวกหลาย อนุภาคจึงอยู่รวมกันได้ภายในนิวเคลียส โดยไม่แยกออกจากกันด้วยแรงผลักทางไฟฟ้า โดยครูเปิดโอกาส ให้นกั เรียนแสดงความคดิ เห็นอยา่ งอสิ ระ ไมค่ าดหวงั คำ�ตอบทถ่ี ูกตอ้ ง ครชู แ้ี จง้ วา่ ในหวั ขอ้ นน้ี กั เรยี นจะไดเ้ รยี นเกย่ี วกบั แรงนวิ เคลยี รแ์ ละพลงั งานยดึ เหนย่ี วของนวิ เคลยี ส ท่เี ก่ยี วข้องกบั เสถียรภาพของนิวเคลียส 20.1.1 แรงนิวเคลยี ร์ ความเข้าใจคลาดเคล่ือนที่อาจเกิดข้นึ ความเข้าใจคลาดเคลอื่ น แนวคิดทถี่ ูกตอ้ ง 1. แรงนวิ เคลยี รส์ ง่ ผลไดไ้ กลเหมอื นแรงไฟฟา้ 1. แรงนวิ เคลยี รเ์ ปน็ แรงทส่ี ง่ ผลเฉพาะในระยะ และแรงโน้มถ่วง ใกล้มาก 2. แรงนวิ เคลยี รเ์ ปน็ แรงดงึ ดดู ระหวา่ งโปรตอน 2. แรงนวิ เคลยี รเ์ ปน็ แรงดงึ ดดู ระหวา่ งโปรตอน กบั โปรตอนเท่านนั้ กับโปรตอน นิวตรอนกับนิวตรอน และ โปรตอนกบั นิวตรอน 3. แรงนิวเคลียร์ข้ึนกับขนาดของประจุไฟฟ้า 3. แรงนวิ เคลยี รไ์ มข่ น้ึ กบั ขนาดของประจไุ ฟฟา้ และมวล และไมข่ นึ้ กบั มวล สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

118 บทท่ี 20 | ฟสิ ิกสน์ วิ เคลียร์และฟสิ กิ ส์อนุภาค ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 4. แรงนิวเคลียร์ทำ�ให้ธาตุและไอโซโทปของ 4. แรงนิวเคลียร์ทำ�ให้ธาตุและไอโซโทปของ ธาตทุ ุกชนดิ มีเสถียรภาพ ธาตุประมาณ 270 ชนดิ มีเสถยี รภาพ ยงั มีธาตุและไอโซโทปของธาตุอีกหลายร้อย 5. นวิ เคลยี สท่ีมจี �ำ นวนนิวตรอนมากกว่า ชนิดท่ีถึงแม้จะมีแรงนิวเคลียร์ แต่ไม่มี โปรตอน จะมีเสถยี รภาพ เสถยี รภาพ 6. แรงนวิ เคลียร์เกิดขึน้ ขณะเกิดระเบดิ 5. นิวเคลียสที่มีจำ�นวนนิวตรอนมากกว่า นิวเคลียรเ์ ท่าน้นั โปรตอน ในจำ�นวนท่ีเหมาะสม จึงมี เสถียรภาพ ถ้ามีนิวตรอนมากเกินไปหรือ นอ้ ยเกนิ ไป นิวเคลียสจะไม่มีเสถียรภาพ 6. แรงนิวเคลียร์มีอยู่ในนิวเคลียสตลอดเวลา ทำ�ให้นิวเคลยี สมเี สถียรภาพ แนวการจัดการเรียนรู้ ครชู แ้ี จงจุดประสงคก์ ารเรียนรู้ข้อที่ 1 และ 2 ของหัวขอ้ 20.1 ตามหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาการพัฒนาแนวคิดเก่ียวกับทฤษฎีเก่ียวกับแรงนิวเคลียร์ และ ธรรมชาติของ แรงนวิ เคลยี ร์ ในหนงั สือเรยี น จากน้นั ครนู �ำ อภิปรายโดยใชร้ ปู 20.1 ประกอบ จนได้ข้อสรุปเกย่ี วกับแรง นวิ เคลยี ร์ดงั น้ี ∙ แรงนวิ เคลยี รเ์ ปน็ แรงดงึ ดดู ระหวา่ งโปรตอนกบั โปรตอน นวิ ตรอนกบั นวิ ตรอน และ โปรตอนกบั นวิ ตรอน ในนิวเคลยี ส ∙ แรงนิวเคลียร์ไม่ขึ้นกับประจุและมวลของนิวคลีออน แรงนิวเคลียร์ระหว่างคู่นิวคลีออนเหล่านี้ จึงมคี า่ เทา่ กนั ∙ แรงนิวเคลียร์ส่งผลเฉพาะในระยะใกล้มาก (very short-range force) จึงเป็นแรงท่ีกระทำ� ระหว่างนวิ คลอี อนทอี่ ยตู่ ดิ กนั เท่านัน้ ไม่สง่ ผลตอ่ นวิ คลีออนอื่น ๆ ทีอ่ ยู่ถัดออกไป ∙ แรงนวิ เคลียร์ทำ�ให้นิวเคลียสของธาตุและไอโซโทปของธาตุประมาณ 270 ชนดิ มีเสถียรภาพ ครใู หน้ กั เรยี นศกึ ษาตาราง 20.1 โดยครอู าจทบทวนความรเู้ กย่ี วกบั ไอโซโทปและสญั ลกั ษณน์ วิ เคลยี ร์ เพ่ิมเติม แล้วต้ังคำ�ถามให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันว่า จำ�นวนโปรตอนกับจำ�นวนนิวตรอนในนิวเคลียส มี ความสมั พนั ธก์ บั เสถยี รภาพของนวิ เคลยี สหรอื ไม่ โดยครเู ปดิ โอกาสใหน้ กั เรยี นแสดงความคดิ เหน็ อยา่ งอสิ ระ ไม่คาดหวังคำ�ตอบท่ถี กู ตอ้ ง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เล่ม 6 บทท่ี 20 | ฟิสิกสน์ วิ เคลยี ร์และฟิสิกสอ์ นภุ าค 119 ครูอาจให้นักเรียนทำ�กิจกรรมลองทำ�ดู โดยให้วาดจุดสีดำ�ท่ีแสดงกับจำ�นวนนิวตรอน (N) และ จำ�นวนโปรตอน (Z) ของนิวเคลียสเสถียรของไอโซโทปลงบนกราฟระหว่างจำ�นวนนิวตรอน และจำ�นวน โปรตอน โดยใชข้ อ้ มลู ในตาราง 20.1 จากนนั้ ใหล้ ากเสน้ สแี ดงท่ี N = Z ลงบนกราฟ แลว้ ใหน้ กั เรยี นสงั เกต และอภิปรายเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่าง จำ�นวนนิวตรอนกับจำ�นวนโปรตอนของนิวเคลียสท่ีเสถียร โดยไม่คาดหวังผลสรุปทีถ่ ูกต้อง ครูให้นักเรียนดูรูป 20.2 ในหนังสือเรียน แล้วต้ังคำ�ถามให้นักเรียนอภิปรายร่วมกัน โดยอาจ ใชค้ ำ�ถามดงั นี้ ก. สำ�หรับไอโซโทปท่ีมีมวลน้อย นิวเคลียสที่เสถียรคือนิวเคลียสท่ีมีจำ�นวนนิวตรอนกับจำ�นวน โปรตอนเปน็ อย่างไร แนวคำ�ตอบ สำ�หรับไอโซโทปที่มีมวลน้อย หรือมีจำ�นวนโปรตอนน้อยกว่า 20 ( Z < 20) นวิ เคลยี สทเี่ สถียรคอื นิวเคลียสท่ีมจี ำ�นวนนวิ ตรอนประมาณเทา่ กบั จ�ำ นวนโปรตอน ข. สำ�หรับไอโซโทปที่มีมวลมาก นิวเคลียสท่ีเสถียรคือนิวเคลียสท่ีมีจำ�นวนนิวตรอนกับจำ�นวน โปรตอนเปน็ อยา่ งไร แนวคำ�ตอบ ส�ำ หรับไอโซโทปท่ีมจี �ำ นวนโปรตอนมากกว่า 20 (Z > 20) นวิ เคลียสทเี่ สถยี รคอื นวิ เคลยี สทม่ี จี �ำ นวนนวิ ตรอนมากกวา่ โปรตอน (N > Z) เนอ่ื งจาก จ�ำ นวนนวิ ตรอนทเ่ี พม่ิ ขน้ึ อยา่ ง เหมาะสมทำ�ให้มีแรงยดึ เหนย่ี วทางนิวเคลยี รม์ ากพอสำ�หรบั การทำ�ให้นวิ เคลยี สมีเสถยี รภาพ ท้ังน้ี เมื่อพิจารณากราฟระหว่างจำ�นวนโปรตอนและจำ�นวนนิวตรอนของไอโซโทปทั้งหมด จะ พบว่าส�ำ หรับไอโซโทปทม่ี จี �ำ นวนโปรตอนมากกวา่ 83 (Z > 83) ไมม่ นี ิวเคลยี สทีม่ เี สถียรภาพ ครคู วรเนน้ วา่ การมจี �ำ นวนนวิ ตรอนในนวิ เคลยี สอยา่ งเหมาะสม ท�ำ ใหม้ แี รงยดึ เหนย่ี วทางนวิ เคลยี ร์ มากพอทจี่ ะชดเชยแรงผลกั ทางไฟฟา้ ระหวา่ งโปรตอน นวิ เคลยี สจงึ มเี สถยี รภาพ แตอ่ ยา่ งไรกต็ าม ถา้ จ�ำ นวน นิวตรอนในนวิ เคลียสมมี ากเกินไป ทำ�ให้นวิ เคลยี สไม่เสถียรได้ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

120 บทที่ 20 | ฟสิ กิ สน์ ิวเคลียรแ์ ละฟิสกิ ส์อนุภาค ฟิสิกส์ เลม่ 6 ความรู้เพิ่มเติมส�ำ หรับครู กราฟระหวา่ งจ�ำ นวนนิวตรอนกบั จำ�นวนโปรตอน กราฟระหว่างจำ�นวนนิวตรอนกับจำ�นวนโปรตอนของธาตุและไอโซโทปท่ีได้รับการค้นพบ หรือสังเคราะหไ์ ด้ในหอ้ งปฏบิ ตั ิการทงั้ หมด มลี กั ษณะดงั รูป stable 1014 yr 160 1012 yr 1010 yr 140 108 yr 106 yr 120 104 yr 100 100 yr 1 yr 80 Z=N 106 s 104 s 60 100 s 1s 40 10−2 s 10−4 s 20 10−6 s N 10−8 s Z 20 40 60 80 100 no data รูป กราฟระหวา่ งจ�ำ นวนโปรตอนและจำ�นวนนวิ ตรอนของไอโซโทปท้ังหมด ส่วนของกราฟที่มีลักษณะเป็นแถบยาวสีดำ�เป็นกลุ่มของจุดท่ีแทนนิวเคลียสท่ีเสถียร เรียกว่า แถบเสถียรภาพ (belt of stability) สว่ นบรเิ วณทีจ่ �ำ นวนโปรตอนมากกวา่ 83 เป็นบรเิ วณที่ไม่มนี วิ เคลยี สทีเ่ สถียรโดยนวิ เคลยี ส เหลา่ นี้ มีแนวโน้มท่ีสลายใหแ้ อลฟา (alpha decay) เพือ่ เปลย่ี นไปเป็นนวิ เคลียสชนดิ ใหม่ทีม่ ีจ�ำ นวน โปรตอนและจ�ำ นวนนิวตรอนลดลงและมเี สถียรภาพมากกว่า ส่วนบริเวณทอ่ี ยเู่ หนือแถบเสถียรภาพ เปน็ บรเิ วณทีน่ วิ เคลียสมสี ดั สว่ นของจ�ำ นวนนิวตรอน ตอ่ จ�ำ นวนโปรตอนมากเกินไป และมแี นวโนม้ จะสลายให้บตี าลบ (beta-minus decay) เพือ่ เปลี่ยน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟิสิกสน์ วิ เคลียร์และฟิสกิ ส์อนภุ าค 121 ไปเปน็ นวิ เคลยี สชนดิ ใหมท่ ม่ี จี �ำ นวนโปรตอนเพม่ิ ขน้ึ แตจ่ �ำ นวนนวิ ตรอนลดลง และมเี สถยี รภาพมากกวา่ ส่วนบริเวณที่อยูใ่ ตแ้ ถบเสถยี รภาพ เป็นบริเวณทน่ี ิวเคลยี สมีสดั สว่ นของจ�ำ นวนนวิ ตรอนตอ่ จำ�นวนโปรตอนน้อยเกนิ ไป และมแี นวโน้มจะสลายใหบ้ ตี าบวก (beta-plus decay) เพือ่ เปลย่ี นไป เปน็ นวิ เคลยี สชนดิ ใหมท่ ม่ี จี �ำ นวนโปรตอนลดลงแตจ่ �ำ นวนนวิ ตรอนเพม่ิ ขน้ึ และมเี สถยี รภาพมากกวา่ รศั มขี องนวิ เคลยี ส นิวเคลียสของอะตอมส่วนใหญ่มีลักษณะเป็นทรงกลมและมีรัศมีโดยเฉล่ียขึ้นกับเลขมวล ตามสมการ 1 r aA3 โดยที่ a = 1.2 × 10-15 เมตร และ A คือ เลขมวล ดงั นน้ั อะตอมไฮโดรเจน ซง่ึ มเี ลขมวลเทา่ กบั 1 จะมรี ศั มขี องนวิ เคลยี สประมาณ 1.2 × 10-15 เมตร ส่วนทองค�ำ ซง่ึ มีเลขมวลเทา่ กับ 197 มรี ศั มีของนิวเคลยี สประมาณ 7.0 × 10-15 เมตร ทั้งน้ี จะเหน็ ได้ว่า 10-15 เมตร หรือ 1 เฟมโตเมตร เปน็ คา่ ทใี่ ช้กันบอ่ ยในการศึกษาทางด้าน ฟสิ กิ ส์นิวเคลยี ร์ ดังนนั้ เพ่อื ความสะดวก จึงไดม้ ีการเรียกชื่อปรมิ าณดงั กลา่ วด้วยค�ำ สน้ั ๆ ว่า แฟร์มี ตามช่อื ของ เอนรโี ก แฟร์มี (Enrico Fermi) ซง่ึ เปน็ นกั ฟสิ ิกส์ชาวอติ าลที ี่มผี ลงานส�ำ คัญทางด้าน ฟสิ กิ สน์ ิวเคลยี ร์ โดยกำ�หนดให้ 1 fm = 10-15 m โดยท่ัวไป รศั มีของนิวเคลยี สของธาตุตา่ ง ๆ จะมคี า่ ในระดบั เเฟร์มี ซง่ึ ถือว่าน้อยมากเมอื่ เทียบกบั ขนาดของอะตอมซึง่ มีคา่ ประมาณ 10-10 เมตร หรอื 1 องั สตรอม (Aq ) องั สตรอม (Aq ) เปน็ หนว่ ยท่ีตง้ั ขน้ึ ตามชอื่ ของ อังเดร โจนาส องั สรอม (Anders Jonas Ångström) นักฟสิ ิกส์ชาวสวเี ดน ผูท้ ่ศี ึกษาสเปกตรมั ของดวงอาทิตย์และไดเ้ สนอใหใ้ ชห้ นว่ ยของ ความยาวคลืน่ ของสเปกตรมั ของดวงอาทติ ยเ์ ป็นจ�ำ นวนเทา่ ของ 10-10 เมตร ซง่ึ ต่อมา หนว่ ยดังกล่าว ได้รับการเรยี กตามชอ่ื ของเขา ในการพจิ ารณาขนาดของอะตอม เนอ่ื งจากอเิ ลก็ ตรอนทเ่ี คลอ่ื นทอ่ี ยรู่ อบนวิ เคลยี สของอะตอม ไม่มตี �ำ แหน่งทีแ่ นน่ อน จึงไม่สามารถระบุขอบเขตท่ชี ดั เจนของอะตอมได้ อกี ท้ัง โดยท่วั ไป อะตอม จะไมอ่ ย่เู ปน็ อะตอมเดี่ยว แตจ่ ะมแี รงยึดเหนย่ี วระหว่างอะตอมอ่ืนไวต้ ง้ั แต่ 1 อะตอมข้ึนไป ดังนั้น ขนาดของอะตอมจงึ บอกดว้ ย รศั มอี ะตอม (atomic radius) ซง่ึ กำ�หนดใหม้ ีคา่ ครึ่งหนง่ึ ของระยะ ระหว่างนวิ เคลียสของอะตอม 2 อะตอมท่มี แี รงยึดเหน่ียวระหว่างอะตอมไวด้ ้วยกนั หรืออยู่ชดิ กัน ซ่งึ โดยทั่วไปอะตอมมรี ัศมีประมาณ 1 - 2 องั สตรอม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

122 บทท่ี 20 | ฟสิ ิกสน์ วิ เคลยี ร์และฟสิ ิกสอ์ นภุ าค ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 20.1.2 พลังงานยึดเหน่ียว แนวคิดทถ่ี ูกต้อง ความเขา้ ใจคลาดเคลอ่ื นทอ่ี าจเกิดข้ึน 1. พลงั งานยดึ เหนย่ี วของนวิ เคลยี สมคี า่ เทา่ กบั พลังงานท่พี อดีทำ�ให้นิวคลีออนท้งั หมดใน ความเข้าใจคลาดเคล่ือน นวิ เคลยี สแยกออกจากกนั 1. พลังงานยึดเหน่ียวของนิวเคลียสมีค่า เทา่ กบั พลงั งานทพ่ี อดที �ำ ใหน้ วิ คลอี อนบาง นิวคลีออนในนิวเคลียสแยกออกจากกนั 2. นวิ เคลยี สเสถยี รทมี่ พี ลงั งานยดึ เหนย่ี วมาก 2. นิวเคลียสเสถียรที่มีพลังงานยึดเหน่ียวต่อ เปน็ นวิ เคลยี สทม่ี ีเสถียรภาพสงู นวิ คลีออนมาก จะเป็นนวิ เคลยี สท่มี ี เสถยี รภาพสูง 3. นิวเคลียสใด ๆ ทมี่ พี ลงั งานยึดเหน่ยี วต่อ 3. นิวเคลียสใด ๆ ที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อ นิวคลีออนมาก เปน็ นวิ เคลียสทเ่ี สถยี ร นวิ คลอี อนมาก อาจเปน็ นวิ เคลยี สทเี่ สถยี ร หรอื ไม่เสถียรก็ได้ แนวการจดั การเรยี นรู้ ครชู แี้ จงจดุ ประสงคก์ ารเรยี นรขู้ อ้ ที่ 3 - 5 ของหวั ขอ้ 20.1 ตามหนงั สอื เรยี น จากนนั้ ครนู �ำ เขา้ สหู่ วั ขอ้ 20.1.2 โดยตั้งคำ�ถามว่า จากการศึกษาเก่ียวกับฟิสิกส์ของอะตอมในบทที่ผ่านมา เราทราบว่าถ้ามีการให้ พลงั งานกบั อะตอมมากพอ สามารถท�ำ ใหอ้ เิ ลก็ ตรอนหลดุ ออกมาจากอะตอมได้ แลว้ ถา้ มกี ารใหพ้ ลงั งานกบั นวิ เคลยี สมากพอ จะท�ำ ใหน้ วิ คลอี อนแยกออกจากกนั ไดห้ รอื ไม่ โดยครเู ปดิ โอกาสใหน้ กั เรยี นแสดงความคดิ เห็นอยา่ งอิสระ ไม่คาดหวงั คำ�ตอบท่ถี ูกต้อง ครใู หน้ กั เรยี นศกึ ษาเกย่ี วกบั พลงั งานยดึ เหนยี่ ว และการทดลองฉายรงั สแี กมมาไปยงั ดวิ เทอรอนตาม รายละเอียดในหนังสือเรียน หรือครูอาจจัดกิจกรรมสาธิต โดยแบ่งนักเรียนออกเป็นกลุ่มละ 3 คน แล้ว ให้นักเรียนคนแรกเป็นโปรตอน คนที่สองเป็นนิวตรอน โดยให้ท้ังสองจับมือกันไว้ด้วยระดับความกระชับ แตกต่างกัน 3 – 4 ระดับ เปรียบได้กับโปรตอนกับนิวตรอนในนิวเคลียสท่ีมีแรงนิวเคลียร์ยึดเหนี่ยวกันไว้ แตกต่างกัน จากนั้น ในการจับมือแต่ละคร้ัง ให้นักเรียนคนท่ีสามพยายามวิ่งเข้าแทรกเพ่ือทำ�ให้มือของ นักเรียนสองคนแรกแยกออกจากกัน หลงั กิจกรรมสาธติ ครนู �ำ นกั เรียนอภิปรายโดยตั้งค�ำ ถามวา่ ถา้ เปรยี บเทยี บพลังงานทตี่ อ้ งทำ�ให้มือ ของนักเรียนที่จับกันไว้แยกออกจากกันเป็นพลังงานท่ีต้องทำ�ให้นิวคลีออนในนิวเคลียสแยกออกจากกัน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 บทท่ี 20 | ฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟสิ ิกสอ์ นุภาค 123 นิวคลีออนที่มีแรงยึดเหนี่ยวมาก จะต้องใช้พลังงานมากหรือน้อยจึงสามารถทำ�ให้นิวคลีออนในนิวเคลียส แยกออกจากัน ครนู �ำ อภปิ รายจนสรปุ ไดว้ า่ ยง่ิ นวิ คลอี อนในนวิ เคลยี สมแี รงยดึ เหนย่ี วกนั มาก ยง่ิ ตอ้ งใหพ้ ลงั งานมาก เพอ่ื ทำ�ใหน้ วิ คลอี อนแยกจากกนั ครูนำ�อภิปรายเพ่ิมเติมเกี่ยวกับการวิเคราะห์ผลต่างระหว่างมวลของดิวเทอรอนกับผลรวมมวลของ โปรตอนกับนิวตรอนในดิวเทอรอน และ การหาพลังงานที่เทียบเท่าส่วนต่างของมวลดังกล่าว โดยการ พิจารณาพลังงานทเี่ ทยี บเท่ามวล 1 u ตามรายละเอียดในหนงั สือเรยี น จนสรุปไดว้ ่า ∙ ในธรรมชาติ นิวเคลียสของธาตุและไอโซโทปของธาตุทุกชนิด มีมวลน้อยกว่ามวลรวมของ นวิ คลอี อนทอ่ี ยภู่ ายในนวิ เคลยี ส เนอ่ื งจาก การทน่ี วิ คลอี อนจะมารวมกนั อยไู่ ดใ้ นนวิ เคลยี สตอ้ งมี การเปลย่ี นมวลบางสว่ นเปน็ พลงั งาน ส�ำ หรบั ใชใ้ นการยดึ เหนย่ี วใหอ้ ยรู่ ว่ มกนั เพอ่ื ท�ำ ใหน้ วิ เคลยี ส มเี สถียรภาพ ∙ สว่ นของมวลทแ่ี ตกตา่ งระหวา่ งมวลรวมของนวิ คลอี อนทง้ั หมดในนวิ เคลยี สกบั มวลของนวิ เคลยี ส นี้ เรยี กวา่ สว่ นพรอ่ งมวล (mass defect, Δm) ซง่ึ เทยี บเทา่ พลงั งานยดึ เหนย่ี ว (E) ของนวิ เคลยี ส ตามสมการ (20.1a) และ (20.1b) ในหนงั สอื เรยี น ครูนำ�อภิปรายเก่ียวกับการหาส่วนพร่องมวลจากมวลอะตอม ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จนสรปุ ไดว้ า่ สว่ นพรอ่ งมวลหาไดจ้ าก ผลตา่ งระหวา่ งมวลรวมขององคป์ ระกอบอะตอมกบั มวลอะตอมตาม สมการ (20.2a) – (20.2c) จากนนั้ ใหน้ กั เรยี นศึกษาตวั อยา่ ง 20.1 และ 20.2 โดยมีครูเป็นผแู้ นะน�ำ ครูต้ังคำ�ถามให้นักเรียนพิจารณาเปรียบเทียบระหว่างเสถียรภาพของนิวเคลียสที่มีพลังงาน ยึดเหนี่ยวมากกับเสถียรภาพของนวิ เคลียสทมี่ ีพลงั งานยดึ เหนี่ยวนอ้ ย โดยใชข้ ้อมลู ทไี่ ด้จากตัวอย่าง 20.1 และ ตวั อย่าง 20.2 ประกอบการอภปิ ราย ให้นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างเสถียรภาพของนิวเคลียสกับพลังงานยึดเหนี่ยว จนสรปุ ไดว้ า่ พลงั งานยดึ เหนยี่ วมคี า่ มากขน้ึ ตามจ�ำ นวนนวิ คลอี อนในนวิ เคลยี สทมี่ ากขนึ้ แตเ่ สถยี รภาพของ นวิ เคลยี สไมไ่ ดข้ นึ้ กบั พลงั งานยดึ เหนยี่ วเทา่ นน้ั แตข่ น้ึ กบั พลงั งานยดึ เหนยี่ วตอ่ นวิ คลอี อน ซง่ึ เปน็ พลงั งาน เฉล่ียท่ีต้องใช้ในการทำ�ให้นิวคลีออนแต่ละอนุภาคในนิวเคลียสแยกออกจากกัน มีค่าตามสมการ (20.3a) และ (20.3b) ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จากนั้นให้นักเรียนศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานยึด E เหนย่ี วตอ่ นิวคลอี อน ( A ) กบั เลขมวล (A) จากกราฟในรูป 20.4 ในหนงั สือเรียน โดยครอู าจต้งั คำ�ถามให้ นักเรยี นอภิปรายเก่ียวกบั กราฟ ดงั น้ี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

124 บทท่ี 20 | ฟิสกิ สน์ วิ เคลียรแ์ ละฟสิ กิ สอ์ นุภาค ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 ก. นวิ เคลยี สทมี่ เี ลขมวลอย่รู ะหวา่ งคา่ ใดมพี ลงั งานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลอี อนสงู กวา่ นวิ เคลยี สในชว่ ง เลขมวลอน่ื ๆ แนวคำ�ตอบ นิวเคลียสท่ีมีเลขมวลอยู่ในช่วงระหว่าง 56 - 72 เป็นนิวเคลียสท่ีมีพลังงานยึด เหน่ียวต่อนิวคลีออนมากกว่านิวเคลียสในช่วงเลขมวลอื่น ๆ (ครูอาจชี้แจงเพิ่มเติมว่า ใน ความเปน็ จรงิ แลว้ ธาตทุ ม่ี พี ลงั งานยดึ เหนย่ี วตอ่ นวิ คลอี อนสงู กวา่ ธาตอุ น่ื จะมเี ลขมวลอยรู่ ะหวา่ ง 55 - 70) ข. นวิ เคลียสใดมีพลังงานยดึ เหนย่ี วตอ่ นิวคลอี อนนอ้ ยท่ีสุด แนวคำ�ตอบ นิวเคลียสของดิวเทอเรียม หรือ ดิวเทอรอน เป็นนิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยว ต่อนิวคลอี อนนอ้ ยทีส่ ุด ค. นิวเคลยี สใดมีพลงั งานยึดเหนี่ยวต่อนวิ คลอี อนมากทสี่ ดุ แนวคำ�ตอบ นิวเคลียสของนิกเกิล (6228 Ni) เป็นนิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหน่ียวต่อนิวคลีออน มากทส่ี ดุ ครอู าจถามค�ำ ถามชวนคดิ ในหนา้ 128 ใหน้ กั เรยี นอภปิ รายรว่ มกนั โดยครเู ปดิ โอกาสใหน้ กั เรยี นแสดง ความคดิ เหน็ อย่างอสิ ระ ไมค่ าดหวงั คำ�ตอบทถี่ ูกตอ้ ง แนวคำ�ตอบชวนคดิ จากกราฟในรปู 20.4 การทำ�ใหน้ ิวคลีออนของเหล็ก (2566 Fe) แยกออกจากกนั งา่ ยหรอื ยากกว่าการ ท�ำ ให้นิวคลีออนของโซเดียม (2131 Na) แยกออกจากกัน เพราะเหตใุ ด แนวค�ำ ตอบ การท�ำ ใหน้ วิ คลอี อนของเหลก็ แยกออกจากกนั ยากกวา่ การท�ำ ใหน้ วิ คลอี อนของโซเดยี ม แยกออกจากกนั เพราะนวิ เคลยี สของเหลก็ มพี ลงั งานยดึ เหนย่ี วตอ่ นวิ คลอี อนมากกวา่ นวิ เคลยี สของ โซเดยี ม ครคู วรเนน้ วา่ นิวเคลยี สท่มี ีพลงั งานยึดเหนย่ี วตอ่ นิวคลอี อนมาก อาจเป็นนวิ เคลยี สทเี่ สถยี รหรือไม่ เสถยี รกไ็ ด้ เนอื่ งจากมปี จั จยั อนื่ ๆ เกย่ี วขอ้ งอกี เชน่ นวิ เคลยี สของยเู รเนยี ม-238 ถงึ แมจ้ ะมพี ลงั งานยดึ เหนย่ี ว ตอ่ นิวคลอี อนประมาณ 7.57 MeV/nucleon แตเ่ ป็นนิวเคลยี สที่ไมเ่ สถียร เมื่อเทยี บกับ He หรือ N ที่มี พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน 6.82 MeV/nucleon และ 7.47 MeV/nucleon ตามลำ�ดับ แต่ทั้ง 2 นิวเคลียสน้ี มีเสถียรภาพมากกวา่ ยเู รเนียม-238 ครใู หน้ กั เรยี นศกึ ษาตวั อยา่ ง 20.3 ในหนงั สอื เรยี นโดยมคี รเู ปน็ ผแู้ นะน�ำ จากนน้ั ครใู หน้ กั เรยี นตอบ ค�ำ ถามตรวจสอบความเขา้ ใจและทำ�แบบฝึกหัด 20.1 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เล่ม 6 บทที่ 20 | ฟิสิกสน์ ิวเคลยี รแ์ ละฟสิ ิกส์อนุภาค 125 แนวการวดั และประเมินผล 1. ความรู้เก่ียวกับธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์ ความสัมพันธ์ระหว่างแรงนิวเคลียร์และพลังงาน ยึดเหน่ียวกับเสถียรภาพของนิวเคลียส และ ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานยึดเหน่ียวกับ สว่ นพรอ่ งมวล จากค�ำ ถามตรวจสอบความเขา้ ใจและแบบฝกึ หดั ทา้ ยหวั ขอ้ 20.1 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำ�นวน จากการแก้โจทย์ปัญหาและการคำ�นวณปริมาณต่าง ๆ เกีย่ วกบั สว่ นพรอ่ งมวลและพลงั งานยดึ เหน่ยี ว ในแบบฝึกหัดท้ายหัวขอ้ 20.1 3. จติ วทิ ยาศาสตรด์ า้ นความมเี หตผุ ล จากการอภปิ รายรว่ มกนั และดา้ นความรอบคอบ จากการท�ำ แบบฝกึ หัดท้ายหวั ขอ้ 20.1 แนวค�ำ ตอบค�ำ ถามตรวจสอบความเขา้ ใจ 20.1 1. เพราะเหตุใดแรงผลักทางไฟฟ้าระหว่างโปรตอนในนิวเคลียสจึงไม่สามารถทำ�ให้โปรตอนแยก ออกจากกนั แนวคำ�ตอบ เพราะระหว่างโปรตอนมีแรงนิวเคลียร์ที่มีขนาดมากกว่าแรงไฟฟ้า ยึดเหน่ียวให้ โปรตอนอยู่รวมกนั อยใู่ นนิวเคลยี ส 2. เพราะเหตุใดนิวเคลียสของไอโซโทปที่เสถียรและมีเลขอะตอมระหว่าง 20 ถึง 83 จึงมีจำ�นวน นิวตรอนมากกว่าจำ�นวนโปรตอน แนวคำ�ตอบ เพราะการมีจ�ำ นวนนวิ ตรอนมากกวา่ จำ�นวนโปรตอนในปรมิ าณทเี่ หมาะสม จะท�ำ ให้มีแรงนิวเคลียร์มากพอที่จะชดเชยแรงผลักทางไฟฟ้าระหว่างโปรตอน ทำ�ให้นิวเคลียส มเี สถียรภาพ 3. จงใหค้ วามหมายของพลังงานยึดเหนยี่ วและสว่ นพรอ่ งมวล แนวค�ำ ตอบ พลงั งานยดึ เหน่ียว คอื พลงั งานทพี่ อดีท�ำ ใหน้ วิ คลีออนทั้งหมดในนวิ เคลียสแยกออกจากกนั สว่ นพรอ่ งมวล คอื สว่ นของมวลทแ่ี ตกตา่ งระหวา่ งมวลรวมของนวิ คลอี อนทง้ั หมดในนวิ เคลยี ส กบั มวลของนวิ เคลยี ส 4. พลังงานยดึ เหนย่ี วมคี วามสัมพนั ธก์ บั ส่วนพรอ่ งมวลอยา่ งไร แนวคำ�ตอบ พลังงานยึดเหน่ียวเท่ากับพลังงานที่เทียบเท่าส่วนพร่องมวลตามสมการ ความสัมพนั ธม์ วลกบั พลงั งาน E = (Δm)c2 5. พลังงานยึดเหน่ียวต่อนิวคลีออนของนิวเคลียสมีความสัมพันธ์กับเสถียรภาพของนิวเคลียส อย่างไร แนวคำ�ตอบ สำ�หรบั นวิ เคลียสทีเ่ สถียร นวิ เคลยี สที่มเี สถียรภาพมากจะมพี ลังงานยึดเหนยี่ วต่อ นิวคลีออนมาก แต่สำ�หรับนิวเคลียสท่ีไม่เสถียร พลังงานยึดเหน่ียวต่อนิวคลีออนไม่สัมพันธ์กับ เสถียรภาพของนวิ เคลียส สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

126 บทที่ 20 | ฟสิ กิ สน์ ิวเคลยี ร์และฟสิ ิกส์อนภุ าค ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 เฉลยแบบฝึกหดั 20.1 ค�ำ ถามตอ่ ไปนี้ กำ�หนดให้ - มวล 1 u เทา่ กับ 1.66 × 10-27 กโิ ลกรมั ซ่ึง เทียบเทา่ กับพลังงาน 931.5 MeV - พลังงาน 1 อิเล็กตรอนโวลต์ เท่ากบั 1.66 × 10-19 จูล - มวลของโปรตอนเท่ากบั 1.007276 u มวลของนวิ ตรอนเท่ากับ 1.008665 u และ มวลของอิเล็กตรอนเทา่ กบั 0.000549 u 1. กำ�หนดมวลอะตอมของยูเรเนียม -238 (29328 U) เทา่ กบั 238.050788 u จงหาปริมาณตอ่ ไปน้ี (คำ�ตอบเปน็ ตวั เลขทศนยิ ม 6 ตำ�แหนง่ ) ก. สว่ นพร่องมวลของ 238 U 92 ข. พลังงานยึดเหนี่ยวของ 238 U 92 ค. พลังงานยึดเหน่ียวต่อนิวคลีออนของ 238 U 92 วธิ ีทำ� ก. อะตอมของยูเรเนียม-238 ประกอบดว้ ยโปรตอน 92 โปรตอน นิวตรอน 146 นิวตรอน และ อเิ ล็กตรอน 92 อเิ ลก็ ตรอน มวลรวมขององค์ประกอบของอะตอม 238 U 92 = 92mp + 146mn + 92me = 92(1.007276 u) + 146(1.008665 u) + 92(0.000549 u) = 239.984990 u หาสว่ นพรอ่ งมวล (Δm) จากผลตา่ งระหว่างมวลรวมขององคป์ ระกอบของอะตอม กบั มวลอะตอม ดังน้ี Δm = มวลรวมขององคป์ ระกอบอะตอม 238 U − มวลอะตอม 238 U 92 92 = 239.984990 u – 238.050788 u = 1.934202 u = (1.934202 u)(1.66 × 10-27 kg/u) = 3.210775 × 10-27 kg ข. หาพลงั งานยดึ เหนีย่ วทีเ่ ทยี บเท่ากบั สว่ นพร่องมวลโดยใชส้ มการ E = Δm(931.5 MeV/u) แทนค่า จะได้ E = (1.934202 u)(931.5 MeV/u) = 1801.709 MeV สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 บทที่ 20 | ฟิสิกสน์ ิวเคลยี รแ์ ละฟสิ ิกส์อนุภาค 127 = 1.801709 × 103 MeV ค. นวิ เคลยี สของยเู รเนียม-238 มีจ�ำ นวนนวิ คลีออน 238 นวิ คลอี อน E ดังนน้ั พลงั งานยึดเหนีย่ วตอ่ นวิ คลีออน ( A ) เท่ากบั E 1801.709 MeV A 238 nucleons = 7.570206 MeV/nucleon ตอบ ก. ส่วนพรอ่ งมวลของยเู รเนียม-238 เท่ากับ 1.934202 u หรือ 3.210775 × 10-27 กโิ ลกรมั ข. พลงั งานยดึ เหน่ียวของนวิ เคลียสของยเู รเนยี ม-238 เทา่ กบั 1.801709 × 103 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ ค. พลงั งานยึดเหนย่ี วต่อนิวคลอี อนของยูเรเนยี ม-238 เท่ากบั 7.570206 เมกะอิเลก็ ตรอนโวลต์ 2. ก�ำ หนดมวลของอะตอมของแคลเซยี ม (2400Ca) เทา่ กบั 39.962591 u จงหาปริมาณตอ่ ไปน้ี (ค�ำ ตอบเป็นตวั เลขทศนยิ ม 6 ต�ำ แหน่ง) ก. ส่วนพร่องมวลของ 40 Ca 20 ข. พลังงานยดึ เหนี่ยวของ 40 Ca 20 ค. พลังงานยึดเหนย่ี วตอ่ นิวคลอี อนของ 40 Ca 20 วธิ ีท�ำ ก. อะตอมของแคลเซยี มประกอบดว้ ยโปรตอน 20 โปรตอน นวิ ตรอน 20 นวิ ตรอน และ อิเลก็ ตรอน 20 อเิ ล็กตรอน มวลรวมขององค์ประกอบของอะตอม 40 Ca 20 = 20mp + 20mn + 20me = 20(1.007276 u) + 20(1.008665 u) + 20(0.000549 u) = 40.329800 u หาสว่ นพร่องมวล (Δm) จากผลต่างระหว่างมวลรวมขององค์ประกอบของอะตอม กับมวลอะตอม ดงั นี้ Δm = มวลรวมขององค์ประกอบอะตอม 40 Ca - มวลอะตอม 40 Ca 20 20 = 40.329800 u – 39.962591 u = 0.367209 u = (0.367209 u)(1.66 × 10-27 kg/u) = 6.095669 × 10-28 kg สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

128 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ สน์ วิ เคลียรแ์ ละฟิสกิ ส์อนุภาค ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 ข. หาพลังงานยึดเหนย่ี วท่เี ทียบเท่ากับส่วนพรอ่ งมวลโดยใช้สมการ E = Δm(931.5 MeV/u) แทนค่า จะได้ E = (10.367209 u)(931.5 MeV/u) = 342.0552 MeV = 3.420552 × 102 MeV ค. นิวเคลียสของแคลเซยี ม มีจำ�นวนนิวคลีออน 40 นิวคลอี อน ดังนน้ั พลงั งานยึดเหนีย่ วต่อนวิ คลอี อน ( E ) เทา่ กับ A E 342.0552 MeV A 40 nucleons = 8.551380 MeV/nucleon ตอบ ก. สว่ นพรอ่ งมวลของแคลเซียม เทา่ กบั 0.367209 u หรอื 6.095669 × 10-28 กิโลกรมั ข. พลังงานยึดเหนย่ี วของนิวเคลยี สของแคลเซยี ม เทา่ กบั 3.420552 × 102 เมกะอิเลก็ ตรอนโวลต์ ค. พลงั งานยึดเหนยี่ วต่อนวิ คลอี อนของแคลเซยี ม เท่ากับ 8.551380 เมกะอเิ ล็กตรอนโวลต์ 3. จากข้อ 1. และ ข้อ 2. นวิ เคลียสของธาตใุ ดมีเสถยี รภาพมากกว่า เพราะเหตใุ ด วิธีทำ� พิจารณาเสถียรภาพจากพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนของนิวเคลียส ถ้านิวเคลียสใด มพี ลงั งานยดึ เหนย่ี วตอ่ นวิ คลอี อนมาก แสดงวา่ นวิ เคลยี สนน้ั มเี สถยี รภาพมากกวา่ ซง่ึ ใน ท่ีน้ี นวิ เคลียสของแคลเซยี ม มีพลงั งานยดึ เหนย่ี วต่อนิวคลีออนเท่ากบั 8.551380 เมกะ อิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งมากกว่า นิวเคลียสของยูเรเนียม-238 ซ่ึงมีพลังงานยึดเหน่ียวต่อ นวิ คลีออนเท่ากับ 7.570206 เมกะอิเลก็ ตรอนโวลต์ ดงั นั้น นวิ เคลยี สของแคลเซยี ม จึงมเี สถียรภาพมากกวา่ ตอบ นวิ เคลียสของแคลเซยี มมีเสถียรภาพมากกวา่ นิวเคลยี สของยูเรเนียม-238 เพราะมพี ลังงานยึดเหนีย่ วตอ่ นวิ คลีออนมากกวา่ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เล่ม 6 บทท่ี 20 | ฟสิ ิกส์นิวเคลียรแ์ ละฟิสิกสอ์ นุภาค 129 4. พลังงานยึดเหนย่ี วตอ่ นิวคลอี อนของนิวเคลียสของฮเี ลียม (24 He) มคี า่ เท่ากับ 6.82 MeV/nucleon จงหาสว่ นพรอ่ งมวลของฮีเลยี ม วิธีท�ำ นวิ เคลียสของฮเี ลยี ม มจี ำ�นวนนิวคลอี อนเทา่ กบั 4 นิวคลอี อน ดังนั้น นิวเคลยี สของฮีเลียมมีพลังงานยดึ เหน่ยี ว E = (4 nucleon) (6.82 MeV/nucleon) = 27.28 MeV หาสว่ นพรอ่ งมวล โดยใช้สมการ E = Δm(931.5 MeV/u) จัดรูปสมการใหมไ่ ด้เป็น m E 931.5 MeV/u แทนคา่ จะได ้ m 27.28 MeV 931.5 MeV/u = 0.029 u ตอบ นวิ เคลียสของฮีเลียม มีส่วนพร่องมวลเทา่ กับ 0.029 u 5. โปรตอนแตล่ ะอนภุ าคทอ่ี ยใู่ นนวิ เคลยี สของลเิ ทยี ม (73Li) ถกู ยดึ เหนย่ี วไวด้ ว้ ยพลงั งานเฉลย่ี เทา่ ไร ก�ำ หนดใหม้ วลอะตอมของลเิ ทยี มเทา่ กับ 7.016005 u วิธที �ำ หาพลังงานยึดเหน่ียวต่อนวิ คลีออนของลิเทียม (73Li) โดยเรม่ิ จาก หาส่วนพรอ่ งมวล อะตอมของลิเทียมประกอบด้วยโปรตอน 3 โปรตอน นิวตรอน 4 นิวตรอน และ อิเล็กตรอน 3 อิเล็กตรอน หาส่วนพร่องมวลจากสมการ Δm = [Zmp + (A - Z)mn + Zme] − mLi-7 แทนค่าจะได้ Δm = [3(1.007276 u) + 4(1.008665 u) + 3(0.000549 u)] − 7.016005 u = 0.042130 u หาพลังงานยดึ เหนยี่ วทเี่ ทยี บเทา่ กบั ส่วนพรอ่ งมวล E = (0.04213 u)(931.5 MeV/u) = 39.244095 MeV หาพลงั งานยึดเหนยี่ วต่อนวิ คลีออน เท่ากบั E 39.244095 MeV A 7 nucleons = 5.606299 MeV/nucleon ตอบ โปรตอนแต่ละอนุภาคในนิวเคลียสของลิเทียม ถูกยึดเหน่ียวไว้ด้วยพลังงานเฉลี่ยเท่ากับ 5.606299 เมกะอเิ ล็กตรอนโวลต์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

130 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ สน์ ิวเคลียร์และฟิสิกสอ์ นุภาค ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 20.2 กมั มนั ตภาพรงั สี จุดประสงค์การเรยี นรู้ 1. บอกความหมายของกมั มนั ตภาพรังสี ธาตุกมั มันตรงั สี และ ไอโซโทปกัมมันตรังสี 2. ระบุชนิดและบอกสมบตั ิของรงั สที ่ีแผอ่ อกมาจากธาตุและไอโซโทปกมั มนั ตรงั สี 3. เขยี นสมการของการสลายใหแ้ อลฟา บตี า และ แกมมา 4. บอกความหมายและค�ำ นวณกมั มนั ตภาพ 5. ทดลองเพอ่ื อธิบายการสลายของนิวเคลียสกมั มนั ตรังสแี ละครง่ึ ชวี ิต 6. คำ�นวณจ�ำ นวนนิวเคลยี สกัมมันตรังสที ี่เหลอื จากการสลายและคร่งึ ชีวติ แนวการจดั การเรยี นรู้ ครนู �ำ เขา้ สหู่ วั ขอ้ 20.2 โดยตงั้ ค�ำ ถามใหน้ กั เรยี นอภปิ รายรว่ มกนั วา่ จากการศกึ ษาทผ่ี า่ นมา เปน็ การ ศกึ ษาเกย่ี วกบั นวิ เคลยี สทเ่ี สถยี ร ถา้ นวิ เคลยี สไมเ่ สถยี ร จะท�ำ ใหธ้ าตหุ รอื ไอโซโทปมกี ารเปลย่ี นแปลงอยา่ งไร โดยเปดิ โอกาสใหน้ ักเรยี นแสดงความคิดเหน็ อย่างอสิ ระ ไมค่ าดหวังคำ�ตอบท่ถี กู ต้อง ครูชี้แจ้งว่า ในหัวข้อนี้นักเรียนจะได้เรียนเก่ียวกับการค้นพบกัมมันตภาพรังสี รังสีชนิดต่าง ๆ ตน้ เหตขุ องกมั มนั ตภาพรงั สี และปรมิ าณตา่ ง ๆ ทเ่ี กย่ี วขอ้ งกบั การแผร่ งั สี เชน่ อตั ราการแผร่ งั สี และ ครง่ึ ชวี ติ 20.2.1 การคน้ พบกมั มันตภาพรงั สี แนวคดิ ที่ถูกต้อง ความเข้าใจคลาดเคลอื่ นท่อี าจเกดิ ขน้ึ ความเข้าใจคลาดเคล่ือน 1. กัมมันตภาพรังสี คือ วัตถุที่แผ่รังสีได้เอง 1. กัมมันตภาพรังสี คือ ปรากฏการณ์ท่ีธาตุ อยา่ งตอ่ เน่อื ง หรือไอโซโทปของธาตุแผ่รังสีได้เองอย่าง ต่อเน่ือง 2. ไอโซโทปของธาตทุ กุ ไอโซโทป เปน็ ไอโซโทป 2. ไอโซโทปของธาตบุ างไอโซโทปเปน็ ไอโซโทป กมั มนั ตรงั สี สามารถแผร่ งั สไี ดเ้ สมอ กัมมันตรังสี บางไอโซโทปเป็นไอโซโทป เสถยี ร สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เล่ม 6 บทที่ 20 | ฟสิ กิ สน์ วิ เคลียรแ์ ละฟสิ ิกสอ์ นภุ าค 131 3. กัมมนั ตภาพรงั สีและกมั มันตรงั สมี ี 3. คำ�ว่า “กัมมันตภาพรังสี” เป็นคำ�นาม ความหมายเหมอื นกนั ใชแ้ ทนกันได้ หมายถึงปรากฏการณ์ชนิดหน่ึง แต่คำ�ว่า “กมั มนั ตรงั ส”ี เปน็ ค�ำ คณุ ศพั ท์ ใชข้ ยายค�ำ อ่ืน ๆ เช่น “ไอโซโทปกัมมันตรังสี” คือ ไอโซโทปท่ีแผ่รังสีได้เอง หรือ “นิวเคลียส กัมมันตรังสี” คือ นิวเคลียสท่ีสลายได้เอง ตามธรรมชาติ แนวการจัดการเรยี นรู้ ครชู แ้ี จงจดุ ประสงคก์ ารเรยี นรขู้ อ้ ท่ี 6 ของหวั ขอ้ 20.2 ตามหนงั สอื เรยี น จากนนั้ ครใู หน้ กั เรยี นศกึ ษา เก่ียวกับการค้นพบกัมมันตภาพรังสีของเเบ็กเกอแรล ในหัวข้อ 20.2.1 ในหนังสือเรียน แล้วต้ังคำ�ถามให้ นกั เรียนอภิปรายรว่ มกนั โดยอาจใชค้ �ำ ถามดังนี้ ก. การทดลองของเเบก็ เกอแรล มีจดุ ประสงค์เพอื่ ศกึ ษาในเรอื่ งใด แนวค�ำ ตอบ การทดลองของเเบก็ เกอแรล มจี ดุ ประสงคเ์ พอ่ื ศกึ ษาการเรอื งแสงและปลอ่ ยรงั สเี อกซ์ ของสารเมื่อถูกกระตนุ้ ด้วยแสงแดด ข. เหตใุ ดเเบก็ เกอแรล จงึ ใสฟ่ ลิ ์มถ่ายรูปไว้ในซองกระดาษสดี �ำ ขณะที่ทำ�การทดลองกลางแดด แนวค�ำ ตอบ การใสฟ่ ลิ ม์ ถา่ ยรปู ไวใ้ นซองกระดาษ เพอ่ื ปอ้ งกนั ไมใ่ หแ้ สงแดดตกกระทบแผน่ ฟลิ ม์ ซึ่งท�ำ ใหฟ้ ิล์มมรี อยด�ำ และผลการทดลองคลาดเคล่ือน ค. เหตผุ ลใดเเบก็ เกอแรลจงึ สรปุ วา่ สารประกอบยเู รเนยี มปลอ่ ยรงั สชี นดิ หนง่ึ ออกมาโดยไมเ่ กย่ี วขอ้ ง กับแสงแดด แนวคำ�ตอบ ในการทดลองกบั สารประกอบของยูเรเนียม ถงึ แมแ้ บก็ เกอแรลจะเกบ็ ชุดอปุ กรณ์ ไวใ้ นล้ินชกั ซงึ่ ไมถ่ ูกแสงแดดเปน็ เวลาหลายวัน แต่เมือ่ นำ�ฟลิ ์มที่เกบ็ ไวไ้ ปล้างพบวา่ เกิดรอยด�ำ บนแผ่นฟิลม์ มสี ีเข้มกวา่ เม่ือคร้งั ท่ที ดลองกบั แสงแดด ง. รังสีที่ไดจ้ ากสารประกอบยเู รเนียม มสี มบัตเิ หมือนและแตกต่างจากรังสีเอกซ์อย่างไร แนวคำ�ตอบ รงั สที แ่ี ผอ่ อกมาจากสารประกอบของยเู รเนยี ม มสี มบตั บิ างประการคลา้ ยรงั สเี อกซ์ เช่น สามารถทะลผุ า่ นวัตถทุ ึบแสง ท�ำ ให้อากาศทรี่ งั สีนผ้ี ่านแตกตวั เปน็ ไอออน แต่รังสีท่ไี ด้จาก สารประกอบของยเู รเนียมเกิดข้นึ เองตลอดเวลา ในขณะที่รงั สเี อกซเ์ กิดขนึ้ เองตามธรรมชาติไม่ ได้ ต้องผา่ นการกระตนุ้ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

132 บทที่ 20 | ฟิสิกส์นวิ เคลียรแ์ ละฟิสกิ สอ์ นภุ าค ฟิสิกส์ เล่ม 6 ครูควรช้ีให้เห็นว่า การค้นพบปรากฏการณ์แผ่รังสีของเเบ็กเกอแรล แม้จะเป็นการบังเอิญ แตเ่ พราะความเป็นคนชา่ งสังเกต ช่างคิด ประกอบกบั การมคี วามรู้และประสบการณ์ในเรื่องทศี่ ึกษามาพอ สมควร จึงทำ�ให้แบ็กเกอแรลสามารถค้นพบปรากฏการณ์คร้ังประวัติศาสตร์ท่ีได้เป็นแรงผลักดันให้นัก วิทยาศาสตร์อีกหลาย ๆ คน เช่น ปีแอร์ กูรี และ มารี กูรี ได้ทำ�การทดลองและศึกษาเพิ่มเติม จนทำ�ให้ วิทยาศาสตรแ์ ละเทคโนโลยีกา้ วหนา้ ไปอยา่ งมาก ดังน้นั นักเรียนจงึ ควรพิจารณานำ�ไปเป็นแบบอย่าง เมอื่ ท�ำ การทดลองในวิชาฟิสกิ ส์หรือเมอ่ื ต้องศกึ ษาเรอ่ื งใดเรื่องหนึ่ง ครูให้นักเรียนศึกษาความหมายของกัมมันตภาพรังสี ไอโซโทปกัมมันตรังสี และ ธาตุกัมมันตรังสี ตามรายละเอยี ดในบทเรยี น และใหน้ กั เรยี นอภปิ รายรว่ มกนั เพอ่ื เปรยี บเทยี บการแผร่ งั สขี องธาตกุ มั มนั ตรงั สี กับการให้แสงกับหลอดไฟ โดยครูควรเน้นความแตกต่างระหว่างสถานการณ์ทั้งสอง เช่น การแผ่รังสีของ ธาตุกัมมันตรังสีไม่สามารถควบคุมได้ แต่การให้แสงของหลอดไฟสามารถควบคุมได้ด้วยสวิตซ์ หรือ การแผ่รงั สีของธาตุกมั มันตรังสีเกดิ ข้นึ ได้เอง แต่การใหแ้ สงของหลอดไฟตอ้ งมีกระแสไฟฟา้ ผา่ นหลอดไฟ ครูควรเน้นเกี่ยวกับความแตกต่างของการใช้คำ�ว่า กัมมันตภาพรังสี กับคำ�ว่า กัมมันตรังสี ซ่ึงคำ� แรกเปน็ คำ�นามทีห่ มายถึงปรากฏการณช์ นิดหน่งึ ส่วนอีกค�ำ เปน็ ค�ำ คุณศพั ท์ ท่ีใชข้ ยายค�ำ อ่ืน ๆ เพอื่ บอก ถึงสมบตั กิ ารแผร่ ังสีได้เอง เช่น ไอโซโทปกัมมนั ตรังสี ธาตกุ มั มันตรงั สี 20.2.2 รังสีจากธาตุและไอโซโทปกัมมันตรังสี แนวคิดท่ถี กู ต้อง ความเขา้ ใจคลาดเคลอื่ นท่อี าจเกดิ ขึน้ ความเขา้ ใจคลาดเคล่อื น 1. เม่ือรังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสี 1. รังสีที่แผ่ออกจากธาตุกัมมันตรังสี เป็น เคล่ือนท่ีผ่านอากาศและไปตกกระทบ อนภุ าคหรอื คลน่ื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ เมอ่ื รงั สแี ผ่ วตั ถใุ ดวตั ถหุ นง่ึ จะท�ำ ใหอ้ ากาศทอ่ี ยรู่ อบ ๆ ออกจากแหล่งก�ำ เนดิ จะถา่ ยโอนพลังงาน และวตั ถุนั้นปนเปือ้ นรงั สี ให้สิ่งแวดล้อม และเมื่อรังสีตกกระทบ วัตถุใดวัตถุหน่ึง พลังงานจากรังสีจะถ่าย โอนใหก้ บั วตั ถนุ นั้ ท�ำ ใหม้ กี ารเปลยี่ นแปลง ในระดับโมเลกุลหรืออะตอมของวัตถุ แ ต่ ไ ม่ ทำ � ใ ห้ วั ต ถุ นั้ น ห รื อ อ า ก า ศ ที่ อ ยู่ รอบ ๆ มกี ารปนเปือ้ นรังสี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เล่ม 6 บทที่ 20 | ฟสิ กิ สน์ ิวเคลยี รแ์ ละฟิสิกสอ์ นุภาค 133 ความเขา้ ใจคลาดเคลอ่ื น แนวคดิ ท่ถี กู ต้อง 2. รังสีแอลฟามีมวลมากท่ีสุด จึงสามารถ 2. รังสีแอลฟามีมวลมากท่ีสุด เม่ือเคล่ือนท่ี ทะลุผ่านวัตถุได้มากท่ีสุด เม่ือเทียบกับ ผ่านวัสดุต่าง ๆ จะสูญเสียพลังงานได้ รังสอี ืน่ มากท่สี ดุ จึงทะลุผ่านวัตถไุ ดน้ ้อยทส่ี ุด เมือ่ เทียบกับรังสีอืน่ 3. รังสีบีตา คือ อิเล็กตรอนที่เคล่ือนที่ด้วย 3. รังสีบีตา เม่ือจำ�แนกอย่างละเอียด มีท้ัง ความเรว็ สงู รังสีบีตาลบ ที่เป็น อิเล็กตรอนที่เคล่ือนท่ี ด้วยความเร็วสูง และ รังสบี ีตาบวก ท่ีเปน็ โพซิตรอนท่ีเคลอ่ื นทดี่ ว้ ยความเร็วสงู 4. รังสีบีตาคือรังสแี คโทด 4. รังสีบีตาไม่ใช่รังสีแคโทด เพราะรังสีบีตา เกิดจากการสลายของธาตุกัมมันตรังสี 5. รงั สที แี่ ผจ่ ากธาตแุ ละไอโซโทปกมั มนั ตรงั สี แต่รังสีแคโทด คือ ลำ�อิเล็กตรอนที่ถูกเร่ง มเี พยี ง 3 ชนดิ เทา่ นน้ั คอื รงั สแี อลฟา บตี า ด้วยความต่างศักย์ในหลอดรังสีแคโทด และ แกมมา ซึง่ มีพลงั งานต�ำ่ กวา่ รังสบี ตี า 5. รงั สที แ่ี ผจ่ ากธาตแุ ละไอโซโทปกมั มนั ตรงั สี สว่ นใหญม่ ี 3 ชนิด คอื รงั สแี อลฟา บีตา และ แกมมา นอกจากน้ี ยงั มรี งั สชี นดิ อน่ื ๆ อกี ที่แผ่ออกจากธาตุและไอโซโทป กมั มนั ตรงั สี เชน่ รงั สนี วิ ตรอน รงั สโี ปรตอน 6. รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีเป็นคล่ืนแม่เหล็ก 6. รงั สจี ากธาตกุ มั มนั ตรงั สี มที ง้ั ทเ่ี ปน็ อนภุ าค ไฟฟ้าเท่าน้นั เช่น อนุภาคแอลฟา อนุภาคบีตา และที่ เป็นคลน่ื แม่เหล็กไฟฟ้า ได้แก่ รังสแี กมมา สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

134 บทที่ 20 | ฟิสกิ สน์ วิ เคลยี รแ์ ละฟสิ ิกสอ์ นุภาค ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 แนวการจัดการเรียนรู้ ครูช้แี จงจุดประสงค์การเรียนรขู้ อ้ ท่ี 7 ของหัวข้อ 20.2 ตามหนงั สือเรยี น ครูนำ�เข้าสู่หัวข้อ 20.2.2 โดยอภิปรายทบทวนความรู้เก่ียวกับการค้นพบกัมมันตภาพรังสี จากน้ัน ครตู ้งั ค�ำ ถามให้นกั เรียนอภปิ รายร่วมกนั ว่า รงั สที ่แี ผ่ออกมาจากธาตแุ ละไอโซโทปกมั มนั ตรงั สีแตกตา่ งจาก รังสีที่นักเรียนเคยไดเ้ รยี นรมู้ าหรอื ไม่ อยา่ งไร และ รงั สีทแ่ี ผอ่ อกมาจากธาตุกมั มันตรังสี มีรงั สชี นดิ ใดบ้าง โดยครเู ปิดโอกาสใหน้ กั เรยี นแสดงความคิดเหน็ อย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ�ตอบทีถ่ ูกตอ้ ง ครูทบทวนความรู้เดิมของนักเรียนเก่ียวกับรังสีแคโทด โดยการต้ังคำ�ถามเก่ียวกับการเบนของรังสี แคโทดและอนุภาคมีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก จากที่ได้เรียนมาในบทที่ 15 จากน้ัน ให้นักเรียนศึกษา ผลการศกึ ษาการเบนของรงั สที แ่ี ผอ่ อกมาจากธาตแุ ละไอโซโทปกมั มนั ตรงั สี เมอ่ื ใหผ้ า่ นเขา้ ไปในบรเิ วณทม่ี ี สนามแม่เหล็ก ดังรูป 20.7 ในหนังสือเรียน แล้วอาจใช้คำ�ถามชวนคิดให้นักเรียนอภิปรายเพื่อหาคำ�ตอบ รว่ มกนั แนวคำ�ตอบชวนคดิ จากแนวการเบนของรังสใี นรปู 20.7 สามารถสรปุ ได้วา่ มรี งั สแี ตกต่างกนั อย่างน้อยกช่ี นิด และ รงั สี แต่ละชนดิ มีสมบตั ิแตกต่างกันอยา่ งไร แนวค�ำ ตอบ จากความเขา้ ใจเกย่ี วกบั การเคลอ่ื นทข่ี องอนภุ าคทม่ี ปี ระจไุ ฟฟา้ ในสนามแมเ่ หลก็ การ เบนของรงั สใี นสนามแมเ่ หลก็ 3 แนว สามารถวเิ คราะหไ์ ดว้ า่ รงั สมี ปี ระจไุ ฟฟา้ แตกตา่ งกนั 3 ชนดิ ซง่ึ ประกอบไปดว้ ยรงั สที ม่ี ปี ระจไุ ฟฟา้ บวก ประจไุ ฟฟา้ ลบ และ เปน็ กลางทางไฟฟา้ แนวค�ำ ตอบชวนคดิ จากรูป 20.7 แนวการเบนของรงั สแี นวใด เปน็ รงั สีแอลฟา บีตา และ แกมมา ตามลำ�ดบั แนวค�ำ ตอบ แนวท่ี 1 เปน็ แนวของรงั สแี อลฟา แนวท่ี 2 เปน็ แนวของรงั สแี กมมา และ แนวท่ี 3 เปน็ แนวของรงั สบี ตี า ครูให้นักเรียนศึกษาเกี่ยวกับชนิดและสมบัติของรังสีท่ีแผ่ออกมาจากธาตุและไอโซโทปกัมมันตรังสี ตามรายละเอยี ดในหนังสือเรยี น แลว้ อภิปรายรว่ มกันจนสรุปได้ตามข้อมูลในตาราง 20.2 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ สน์ วิ เคลยี รแ์ ละฟิสิกส์อนุภาค 135 ความรูเ้ พิ่มเติมส�ำ หรบั ครู มวลทแ่ี ตกตา่ งกันของรังสีท้งั 3 ชนดิ ท�ำ ใหอ้ �ำ นาจทะลุผา่ นวสั ดแุ ตกตา่ งกนั เพราะรงั สที ี่มี มวลมาก เมือ่ เคลอ่ื นที่ผา่ นตัวกลาง จะชนกบั อนภุ าคของตัวกลางและสูญเสยี พลังงานไดม้ ากกว่า รังสีทีม่ มี วลนอ้ ย รงั สที ี่มีมวลมากจึงมอี �ำ นาจทะลผุ ่านต�่ำ กวา่ รงั สที ่ีมีมวลน้อยกว่า การทร่ี ังสที ั้ง 3 ชนิด สามารถท�ำ ใหอ้ ากาศแตกตวั เปน็ ไอออนไดแ้ ตกตา่ งกนั เพราะความ สามารถในการทำ�ใหอ้ ากาศแตกตวั เป็นไอออน ขนึ้ กับขนาดของประจุไฟฟ้าของรังสี ดงั น้ัน รงั สี แอลฟาทม่ี ปี ระจไุ ฟฟ้า +2e จึงสามารถท�ำ ใหอ้ ากาศแตกตวั เปน็ ไอออนได้มากทสี่ ดุ เมื่อเปรยี บเทยี บ กบั รงั สบี ตี าทม่ี ปี ระจุ -1e สว่ นรงั สแี กมมาทเ่ี ปน็ กลางทางไฟฟา้ สามารถท�ำ ใหอ้ ากาศแตกตวั ได้ เพราะ มพี ลงั งานสงู ครคู วรชใ้ี หเ้ หน็ วา่ เมอื่ พจิ ารณาอยา่ งละเอยี ด รงั สบี ตี ามี 2 ชนดิ ไดแ้ ก่ รงั สบี ตี าบวก และ รงั สบี ตี าลบ แตโ่ ดยสว่ นใหญ่ ธาตแุ ละไอโซโทปกมั มนั ตรงั สจี ะแผร่ งั สบี ตี าลบ ดงั นน้ั เมอื่ กลา่ วถงึ รงั สบี ตี าจงึ มกั หมายถงึ รงั สีบีตาลบ นอกจากน้ี ครอู าจใหค้ วามรูเ้ พิม่ เติมอกี วา่ ถึงแมร้ ังสบี ตี าและรังสีแคโทดจะเป็นลำ�ของอนุภาค อเิ ลก็ ตรอนเหมอื นกนั แตร่ งั สบี ตี าไมใ่ ชร่ งั สแี คโทด เพราะอเิ ลก็ ตรอนของรงั สบี ตี าเปน็ อเิ ลก็ ตรอนทม่ี คี วามเรว็ สูงกว่ารังสีแคโทดมาก ครใู ห้ความรูเ้ พ่ิมเติมว่า นอกจากรังสีทั้ง 3 ชนดิ ทก่ี ลา่ วถงึ ธาตแุ ละไอโซโทปกมั มันตรังสียงั มกี ารแผ่ รงั สชี นิดอ่นื อีก เช่น รงั สีนิวตรอน รงั สโี ปรตอน แต่เกดิ ขน้ึ ในธรรมชาตนิ ้อยมาก ส่วนใหญ่ รังสีนิวตรอนที่ ใชท้ างอุตสาหกรรมจะมาจาก เครื่องปฏิกรณน์ วิ เคลยี ร์หรอื การเร่งอนุภาค ส่วนรังสีโปรตอนมาจากการเร่ง อนภุ าคเช่นกนั ครใู ห้นกั เรยี นตอบคำ�ถามตรวจสอบความเข้าใจ 20.2 ขอ้ 1. และ 2. ในหนังสือเรยี น 20.2.3 การสลายและสมการการสลาย ความเขา้ ใจคลาดเคล่อื นท่อี าจเกดิ ข้ึน ความเขา้ ใจคลาดเคล่อื น แนวคิดทถ่ี ูกต้อง 1. เมอ่ื ธาตหุ รอื ไอโซโทปกมั มนั ตรงั สมี กี ารแผ่ 1. เมอื่ ธาตหุ รอื ไอโซโทปกมั มนั ตรงั สมี กี ารแผ่ รงั สี ปรมิ าณเนอ้ื สารจะหายไปทลี ะนอ้ ยจน รังสี ปริมาณเนื้อสารท้ังหมดไม่ได้หายไป กระท่งั หมดไป เพียงแต่มีการเปลี่ยนไปเป็นธาตุอีกชนิด หน่งึ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

136 บทท่ี 20 | ฟิสิกส์นิวเคลยี ร์และฟสิ กิ สอ์ นภุ าค ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 2. การแผร่ ังสีของธาตุหรอื ไอโซโทป 2. การแผ่รงั สขี องธาตุหรอื ไอโซโทป กมั มันตรงั สี เกดิ จากการคายพลงั งานของ กัมมันตรังสี เกิดจากการคายพลังงานของ อะตอมทีไ่ มเ่ สถยี ร นวิ เคลยี สทไ่ี มเ่ สถยี ร 3. นิวเคลียสกัมมันตรังสีเป็นนิวเคลียสของ 3. นวิ เคลยี สของธาตทุ ม่ี เี ลขอะตอมต�ำ่ ๆ บาง ธาตทุ ีม่ เี ลขอะตอมสูง ๆ เทา่ น้ัน ธาตเุ ปน็ นวิ เคลยี สกมั มนั ตรงั สเี ชน่ ทรทิ อน หรอื นวิ เคลยี สของคารบ์ อน-14 สง่ิ ทค่ี รตู อ้ งเตรยี มล่วงหน้า 1. ถ้ามกี ารทำ�กจิ กรรมเสนอแนะสำ�หรบั ครู เกมจับคู่ หรอื เกมใบ้คำ� เพ่ือทบทวนคำ�ศพั ทเ์ กี่ยว กับกมั มันตภาพรงั สี ใหเ้ ตรยี มวสั ดแุ ละอปุ กรณส์ �ำ หรบั การทบทวนคำ�ศัพท์ เชน่ บตั รคำ�และ บตั รภาพส�ำ หรับกิจกรรมจบั คู่ บตั รค�ำ และบัตรบอกความหมายสำ�หรบั กจิ กรรมใบ้ค�ำ แนวการจัดการเรยี นรู้ ครูช้แี จงจดุ ประสงคก์ ารเรียนร้ขู ้อที่ 8 ของหัวขอ้ 20.2 ตามหนังสือเรยี น ครูทบทวนความรู้เก่ียวกับกัมมันตภาพรังสี โดยอาจเลือกทำ�กิจกรรมเสนอแนะสำ�หรับครู เช่น เกมจบั คู่ หรอื เกมใบค้ ำ� เพอ่ื ใหน้ กั เรียนทบทวนค�ำ ศพั ทเ์ กี่ยวกับกมั มันตภาพรงั สี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เลม่ 6 บทที่ 20 | ฟิสกิ ส์นิวเคลียร์และฟสิ กิ ส์อนุภาค 137 กิจกรรมเสนอแนะสำ�หรบั ครู เกมจบั คู่ จุดประสงค์ 1. บอกความหมายของคำ�ศพั ทท์ เี่ กี่ยวข้องกับกมั มันตภาพรงั สี เวลาท่ใี ช้ 10 นาที วัสดุและอปุ กรณ์ 1. บตั รค�ำ เร่ือง กมั มนั ตภาพรังส ี 1 ชุด 2. บตั รภาพ เร่อื ง กัมมันตภาพรังส ี 1 ชดุ (ดาวนโ์ หลดบัตรค�ำ และบตั รภาพไดจ้ าก QR Code ประจ�ำ บทที่ 20 หรือท่ลี ิงค์ http://ipst.me/11456) วธิ ที �ำ กิจกรรม 1. คละบัตรคำ�และบัตรภาพแล้วคว่ำ�บัตรลง จากน้ันแจกให้นักเรียนคนละ 1 ใบ (ถ้าจำ�นวน นกั เรยี นในหอ้ งเป็นจำ�นวนค่ี ผสู้ อนอาจร่วมทำ�กิจกรรมดว้ ย) 2. ใหน้ ักเรียนทกุ คนยืนข้นึ แล้วหงายบัตรค�ำ และบัตรภาพที่ถืออยู่พรอ้ มกัน 3. ให้นักเรียนหาเพ่ือนร่วมช้ันที่มีบัตรคำ�หรือบัตรภาพที่สอดคล้องกับบัตรที่ตนเองถืออยู่ เม่ือ พบแล้วให้จบั คกู่ นั แล้วนั่งลง โดยคู่ทีน่ ง่ั ลงกอ่ นจะได้น�ำ เสนอกอ่ น 4. เม่ือนักเรียนทุกคนจับคู่ได้ครบแล้ว ให้นักเรียนคู่แรกที่น่ังลงยืนข้ึน แล้วแสดงบัตรคำ�และ บัตรภาพของคู่ตนเองใหน้ กั เรยี นคูอ่ นื่ ๆ เห็น เพ่อื พิจารณาว่า คำ�และภาพทีไ่ ด้สอดคล้องกนั หรือไม่ 5. ถา้ นกั เรยี นทย่ี นื ขน้ึ จบั คภู่ าพกบั ค�ำ ศพั ทไ์ ดถ้ กู ตอ้ ง ใหน้ กั เรยี นคนใดคนหนงึ่ อา่ นค�ำ ศพั ทด์ งั ๆ แลว้ นกั เรยี นอกี คนบอกความหมายของค�ำ โดยใชภ้ าพในบตั รภาพประกอบ จากนนั้ ใหน้ ง่ั ลง 6. ถ้านักเรียนที่ยืนขึ้นจับคู่ภาพกับคำ�ศัพท์ได้ไม่ถูกต้อง ให้หาคู่ที่ถูกต้อง แล้วให้นักเรียน คใู่ นล�ำ ดบั ถัด ๆ ไปนำ�เสนอก่อน จนกระทง่ั นักเรียนได้นำ�เสนอครบทกุ คู่ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี