(คู่มือ) หนังสือเรียนสสวท เพิ่มเติมฟิสิกส์ 6

138 บทท่ี 20 | ฟสิ ิกส์นิวเคลียรแ์ ละฟิสิกสอ์ นุภาค ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 ตัวอยา่ งบตั รคำ�และบตั รภาพ เรอ่ื ง กมั มนั ตภาพรงั สี (บัตรควรมีขนาดใหญ่พอสมควร เพอื่ ให้นกั เรียนทง้ั หอ้ งมองเห็นชัดเจน) กมั มนั ตภาพรงั สี (Radioactivity) ไอโซโทป คาร�บอน-14 คาร�บอน-13 (Isotope) คารบ� อน-12 คาร�บอน-11 พลังงานยึดเหนีย่ ว ดวิ เทอรอน (Binding Energy) นิวตรอน รปู ตวั อย่างบัตรค�ำ สำ�หรับกิจกรรมทบทวนค�ำ ศัพทเ์ กย่ี วกบั กมั มนั ตภาพรังสี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ ส์นิวเคลียร์และฟิสิกสอ์ นุภาค 139 แรงนวิ เคลยี ร (Nuclear force) แผน� กระดาษ รังสีแอลฟา (Alpha rays) รงั สีแกมมา แผ�นฟล� ม� (Gamma rays) B แผ�นตะกว่ั หนา แผน� ตะกว่ั หนา รปู ตัวอยา่ งบัตรค�ำ สำ�หรบั กจิ กรรมทบทวนคำ�ศัพทเ์ กยี่ วกับกัมมันตภาพรังสี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

140 บทท่ี 20 | ฟิสิกส์นวิ เคลียร์และฟิสิกส์อนภุ าค ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 กจิ กรรมเสนอแนะส�ำ หรบั ครู เกมใบ้คำ� จุดประสงค์ 1. บอกความหมายของคำ�ศัพท์ทเี่ กีย่ วขอ้ งกบั กัมมันตภาพรังสี เวลาท่ใี ช้ 10 นาที วสั ดุและอุปกรณ์ 1. บัตรค�ำ เรื่อง กมั มนั ตภาพรังส ี 1 ชดุ (ดาวนโ์ หลดบตั รคำ�และบตั รภาพได้จาก QR Code ประจำ�บทท่ี 20 หรอื ท่ลี ิงค์ http://ipst.me/11456) วิธีทำ�กิจกรรม 1. แบง่ กลมุ่ นกั เรยี นเปน็ กลมุ่ ละ 3 – 4 คน ใหแ้ ตล่ ะกลมุ่ เลอื กตวั แทน 1 คน ทจ่ี ะท�ำ หนา้ ทใี่ บค้ �ำ 2. ใหต้ ัวแทนกลุ่มแรก ออกมาหน้าชนั้ เรียน แลว้ หันหน้าหานักเรยี นคนอ่ืน ๆ โดยให้ผ้ใู บค้ ำ�อยู่ ต�ำ แหนง่ ทมี่ องเห็นบัตรค�ำ ทีค่ รแู สดงได้ชัดเจน 3. เมอื่ มสี ญั ญาณใหเ้ รม่ิ เลน่ เกม ใหผ้ ใู้ บด้ คู �ำ ทอี่ ยบู่ นบตั รค�ำ ทค่ี รถู อื อยู่ แลว้ พยายามอธบิ ายความ หมายของค�ำ ใหน้ กั เรยี นคนอนื่ ๆ ทาย โดยไมพ่ ดู ค�ำ นน้ั หรอื สว่ นหนงึ่ ของค�ำ นน้ั ออกมา ถา้ พดู ใหผ้ า่ นคำ�นั้นไปและไม่ไดค้ ะแนน 4. นักเรียนท่ีเป็นผู้ทาย ให้พยายามบอกคำ�ศัพท์ท่ีมีความหมายสอดคล้องกับคำ�อธิบายท่ีผู้ใบ้ คำ�บอก โดยสามารถบอกคำ�ได้เพียง 2 คำ� ถ้าเป็นคำ�ท่ีตรงกับท่ีอยู่ในบัตรคำ� ให้กลุ่มน้ันได้ คะแนน 1 คะแนน แตถ่ า้ ท้ัง 2 คำ�ไมต่ รงกบั ที่อย่ใู นบัตรค�ำ กลุม่ นนั้ ไมไ่ ดค้ ะแนน สว่ นผู้ใบค้ �ำ จะได้ 1 คะแนน เม่อื นักเรียนทท่ี าย สามารถทายได้ถกู ใน 2 คำ�แรก 5. หลังจากการใบ้ค�ำ ผ่านไป 1 คำ� ผลัดให้ตวั แทนกลุ่มในลำ�ดบั ถดั ไปออกมาใบ้ค�ำ หนา้ ช้ันเรียน และทำ�ตามขนั้ ตอนที่ 2 – 4 จนครบทกุ กลุม่ หรือ หมดค�ำ ในชุดบตั รค�ำ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เล่ม 6 บทท่ี 20 | ฟิสิกสน์ ิวเคลียร์และฟสิ ิกสอ์ นภุ าค 141 ตัวอยา่ งบัตรค�ำ สำ�หรับเกมใบ้ค�ำ เร่อื ง กมั มันตภาพรงั สี (บตั รควรมีขนาดใหญพ่ อสมควร เพอ่ื ใหน้ กั เรยี นทัง้ หอ้ งมองเหน็ ชดั เจน) ไอโซโทป กมั มนั ตภาพรังสี (Isotope) (Radioactivity) พลงั งานยึดเหน่ียว แรงนิวเคลียร (Binding Energy) (Nuclear force) รงั สีแอลฟา รังสีบตี า (Alpha rays) (Beta rays) รงั สแี กมมา ธาตุกัมมันตรังสี (Gamma rays) (Radioactive Element) ไอโซโทปกัมมนั ตรังสี นวิ เคลยี สเสถยี ร (Radioactive isotope) (Stable nucleus) รูป ตวั อยา่ งบตั รค�ำ ส�ำ หรับกิจกรรมทบทวนค�ำ ศัพทเ์ กยี่ วกับกัมมันตภาพรังสี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

142 บทที่ 20 | ฟิสกิ สน์ วิ เคลยี ร์และฟิสกิ สอ์ นภุ าค ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 ครูต้ังค�ำ ถามใหน้ กั เรียนอภิปรายว่า ถ้าธาตกุ มั มันตรังสีมีการแผร่ งั สอี อกมา นวิ เคลยี สของธาตุจะมี การเปล่ียนแปลงอย่างไร โดยครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ�ตอบ ท่ถี ูกต้อง ครูใช้รูป 20.9 ประกอบการอภิปรายเก่ียวกับการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จนสรุปได้ว่า การแผ่รังสีเกิดจากการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียสที่ไม่ เสถยี ร และปลอ่ ยพลงั งานออกมาในรปู ของอนภุ าคความเรว็ สงู หรอื คลนื่ แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ความถสี่ งู เพอ่ื เปลย่ี น ไปอยใู่ นสถาวะที่มีเสถียรภาพมากกวา่ ครูร่วมกับนักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับความหมายของ การสลายของนิวเคลียสท่ีไม่เสถียร จนสรุปไดด้ งั น้ี ∙ การสลายกมั มนั ตรังสี หรอื เรียกส้นั ๆ ว่า การสลาย คือกระบวนการทน่ี วิ เคลียสไม่เสถยี รเปล่ยี น ไปเปน็ นวิ เคลียสชนดิ ใหมห่ รอื นวิ เคลียสเดมิ ท่ีมรี ะดับพลังงานต�ำ่ กว่าเดิมโดยธรรมชาติ ∙ การสลายใหอ้ นภุ าคแอลฟา หรอื อนภุ าคบตี า หรอื รงั สแี กมมา ออกมา เรยี กวา่ การสลายใหแ้ อลฟา การสลายให้บีตา และ การสลายให้แกมมา ตามลำ�ดบั ∙ ผลรวมของเลขอะตอมและผลรวมของเลขมวลของนิวเคลียสและอนุภาคต่าง ๆ ก่อนและหลัง การสลายมคี า่ เท่ากนั ครใู ห้นักเรยี นศกึ ษา การสลายให้แอลฟา บีตา และ แกมมา ตามรายะเอียดในหนงั สือเรียน โดยอาจ แบ่งกลุ่มให้ศึกษาการสลายแต่ละชนิด แล้วให้แตล่ ะกล่มุ นำ�เสนอ จากน้นั ครูและนักเรยี นอภปิ รายรว่ มกนั จนสรุปเกย่ี วกับการสลายและสมการการสลาย (20.4) – (20.7) ตามรายละเอยี ดในหนังสือเรียน ครใู ห้นกั เรียนศึกษาตวั อย่าง 20.4 และ 20.5 จากน้ันให้นักเรยี นตอบคำ�ถามตรวจสอบความเข้าใจ 20.2 ข้อ 3 และ 4 และทำ�แบบฝึกหัด 20.2 ขอ้ 1 2 และ 3 ความรู้เพมิ่ เตมิ ส�ำ หรับครู อนุกรมการสลายของธาตุกมั มันตรงั สี นกั วทิ ยาศาสตร์พบว่าการสลายของธาตุกัมมนั ตรงั สใี นธรรมชาติมที ้ังสนิ้ 4 อนกุ รม คอื 1. อนกุ รมทอเรยี ม (thorium series) ประกอบดว้ ยนิวเคลยี สของธาตุเริม่ ต้น คือ ทอเรียม –232 (23920Th) นวิ เคลยี สของธาตุสดุ ท้าย คอื ตะกวั่ –208 (208 Pb) และ เลขมวลของธาตุ 82 ตา่ ง ๆ ในอนกุ รมนี้เปน็ 4n 2. อนกุ รมเนปทเู นยี ม (neptunium series) ประกอบดว้ ยนวิ เคลยี สของธาตเุ ริม่ ตน้ คอื พลโู ทเนียม–241 (241 Pu) นิวเคลยี สของธาตุสุดท้ายคือ บสิ มทั –209 (209 Bi) และเลขมวลของ 94 83 ธาตุต่าง ๆ ในอนุกรมนเี้ ป็น 4n + 1 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 บทที่ 20 | ฟิสิกส์นวิ เคลียร์และฟสิ ิกส์อนุภาค 143 3. อนุกรมยเู รเนียม (uranium series) ประกอบดว้ ยนิวเคลยี สของธาตเุ รมิ่ ต้น คอื ยเู รเนยี ม–238 นิวเคลยี สของธาตสุ ุดทา้ ยคือ ตะกั่ว–206 (28026 Pb) และเลขมวลของธาตุตา่ ง ๆ ใน อนกุ รมน้ีเป็น 4n + 2 4. อนุกรมแอกทเิ นียม (actinium series) ประกอบด้วยนิวเคลยี สของธาตุเร่มิ ตน้ คือ แอกทิโนยูเรเนียม (actinouranium) ซึ่งเป็นไอโซโทปของยูเรเนียมที่มีเลขมวล 235 (29325 U) นวิ เคลยี สของธาตสุ ุดท้ายคือ ตะกัว่ –207 (207 Pb) และเลขมวลของธาตตุ ่าง ๆ ในอนกุ รมนีเ้ ป็น 82 4n + 3 ความร้เู พ่ิมเตมิ สำ�หรับครู ตาราง อนุกรมการสลายของธาตกุ ัมมนั ตรังสี ชอื่ เลขมวล นิวเคลียส นวิ เคลียส นิวเคลยี สท่ีมี ครึง่ ชีวิตของ แม สดุ ทาย ครง่ึ ชวี ติ นาน นิวเคลียสท่ีมคี ร่งึ ชวี ติ ทีส่ ุด ยาวนานที่สุด (ป) อนุกรมทอเรียม 4n 23920Th 208 Pb 23920Th 1.39 1010 อนุกรมเนปทเู นียม 4n 1 82 2.25 106 อนุกรมยูเรเนียม 4n 2 4.51 109 อนุกรมแอกทิเนยี ม 4n 3 241 Pu 209 Bi 237 Np 7.07 108 94 83 93 238 U 206 Pb 238 U 92 82 92 235 U 207 Pb 235 U 92 82 92 ข้อสงั เกต จะเหน็ วา่ ในอนุกรมหนง่ึ ๆ เลขมวลของธาตใุ นอนุกรมนัน้ ๆ จะมคี า่ เป็นไปตาม สมการ A = 4n + a เม่อื a แทน 0 1 2 และ 3 การแบง่ การสลายของธาตกุ ัมมนั ตรังสีจงึ มีแค่ 4 อนกุ รม เท่าน้ัน เนือ่ งจากการสลายที่ใหร้ งั สแี อลฟา เลขมวลจะลดลง 4 เสมอ ส่วนการสลายท่ี ใหร้ งั สีบตี าและแกมมา เลขมวลจะไม่เปลย่ี น ดงั นน้ั ถ้าพจิ ารณานวิ เคลียส แลว้ จัดให้เลขมวลของ นิวเคลยี สอยใู่ นรูป 4n + a แล้วพิจารณาค่าของ a มีคา่ เทา่ ไร เพอื่ จดั เข้าในอนุกรม หนง่ึ เมอ่ื น�ำ เลขมวลหารด้วย 4 แล้ว จะพบวา่ มเี ศษได้ 0 1 2 และ 3 เทา่ นัน้ ท�ำ ให้สามารถบอกไดว้ า่ นวิ เคลยี ส ใดนวิ เคลยี สหนง่ึ อยใู่ นอนกุ รมใด เชน่ นวิ เคลยี สทม่ี เี ศษศนู ย์ จะถกู จดั อยใู่ นอนกุ รมทอเรยี ม หรือ นวิ เคลยี สทมี่ ีเศษ 1 จะถกู จดั อยู่ในอนกุ รมเนปทเู นยี ม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

144 บทที่ 20 | ฟสิ กิ ส์นิวเคลียร์และฟิสกิ สอ์ นุภาค ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 20.2.4 กัมมันตภาพ แนวคดิ ท่ถี กู ต้อง ความเขา้ ใจคลาดเคลอ่ื นท่ีอาจเกดิ ขึ้น 1. อัตราการแผ่รังสีของธาตุและไอโซโทป ความเขา้ ใจคลาดเคลื่อน กมั มนั ตรงั สชี นดิ ใดชนดิ หนงึ่ เปลย่ี นแปลง 1. อัตราการแผ่รังสีของธาตุและไอโซโทป ไปตามจำ�นวนนิวเคลียสของธาตุและ ไอโซโทปกัมมันตรังสชี นิดนน้ั ท่ีมีอยู่ กัมมันตรังสี เปน็ คา่ คงตวั 2. การแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสี ไม่ข้ึนอยู่ 2. การแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสี ข้ึนอยู่กับ กบั ปัจจัยภายนอก ปัจจัยภายนอก เช่น อุณหภูมิ แสงแดด ความดัน 3. การสลายของนิวเคลียสกัมมันตรังสีเป็น ปรากฏการณท์ ่เี กดิ ข้ึนแบบสุม่ ไมส่ ามารถ 3. การสลายของนิวเคลียสกัมมันตรังสีมีรูป ระบุนวิ เคลยี สท่ีจะสลายได้ แบบท่ีแน่นอน สามารถระบุนิวเคลียสที่ จะสลายได้ สิ่งท่คี รตู อ้ งเตรียมลว่ งหน้า 1. คลปิ วดี ทิ ศั นเ์ กย่ี วกบั การใชเ้ ครอื่ งนบั รงั สแี บบไกเกอรม์ ลึ เลอร์ ใหเ้ ตรยี มคลปิ ลว่ งหนา้ โดยอาจ ใช้คลิปจากลงิ ค์ตอ่ ไปน้ี 1.1. คลิปวดิ ีทศั น์ Radiation Now ตอน ทา้ พสิ จู น์รังสี มีอยู่จรงิ โดย สถาบนั เทคโนโลยี นิวเคลียร์แหง่ ชาติ (สทน.) https://youtu.be/0lxDZXJasV4 1.2. คลปิ วดิ ที ศั น์ เกลอื กมั มนั ตรงั สจี ากรา้ นขายของช�ำ ใกลบ้ า้ น (Radioactive salt from your local grocery store) https://youtu.be/80uW4fwCRfA 1.3. คลิปวิดีทัศน์ โพแทสเซียม-40 กัมมันตภาพรังสีในธรรมชาติ (Potassium K-49 radioactivity in nature) https://youtu.be/3iy6torpZzI 1.4. คลิปวิดที ัศน์ โพแทสเซยี มกัมมันตรังสีในธรรมชาติ (Naturally occurring radioactive potassium) https://youtu.be/H8Xsu-YqB9A สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟิสิกสน์ วิ เคลียรแ์ ละฟิสิกสอ์ นภุ าค 145 2. ถ้ามกี ารสาธิต การใชเ้ คร่ืองนบั ไกเกอร์ ให้เตรียมวัสดอุ ุปกรณด์ ังน้ี 2.1 เคร่ืองนับไกเกอร์ 2.2 ตัวอย่างวตั ถุท่ีมกี มั มนั ตภาพรงั สีตำ�่ เช่น ลวดเชือ่ มทงั สเตน ไสต้ ะเกยี งเจ้าพายุ ลวด เช่ือมทังสเตนที่มีทอเรียม-232 เกลือบางย่ีห้อ ก้อนหินบางชนิด จานกระเบื้อง สสี ้มบางชนิด 3. วัสดุและอปุ กรณ์ส�ำ หรับกจิ กรรม 20.1 3.1 กลอ่ งใสล่ ูกบาศก์ 1 กล่อง 3.2 ลกู บาศก์ 6 หน้า แตม้ สี 1 หนา้ 50 ลูก 3.3 ถาดหรอื ภาชนะรองรบั ลกู บาศก ์ 1 อัน แนวการจัดการเรยี นรู้ ครูชแ้ี จงจดุ ประสงค์การเรยี นรขู้ อ้ ที่ 9 ของหวั ข้อ 20.2 ตามหนงั สอื เรียน ครูนำ�เข้าสู่หัวข้อ 20.2.4 ทบทวนความรู้เก่ียวกับ กัมมันตภาพรังสี รังสี และ การสลาย โดยนำ� อภิปรายหรือจัดกิจกรรมเสนอแนะสำ�หรับครู เกมจับคู่ หรือ เกมใบ้คำ� จากน้ัน ครูตั้งคำ�ถามว่า ธาตุและ ไอโซโทปกมั มนั ตรงั สมี ีการแผ่รังสอี อกมามากนอ้ ยแตกตา่ งกันหรอื ไม่ อยา่ งไร และถา้ จะท�ำ การวดั ปรมิ าณ รังสีที่แผ่ออกมา จะมีวิธีการอย่างไร โดยเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่ คาดหวงั คำ�ตอบท่ถี กู ตอ้ ง ครูนำ�อภิปรายจนสรุปได้ว่า ธาตุและไอโซโทปกัมมันตรังสีมีการแผ่รังสีออกมาแตกต่างกัน โดยอัตราการแผ่รังสีในขณะหน่ึง เรียกว่า กัมมันตภาพ (activity) ซ่ึงการวัดกัมมันตภาพ ทำ�ได้ด้วยการ อาศัยเครอ่ื งมอื หลายชนิด โดยหนงึ่ ในเครอ่ื งมอื ทน่ี ยิ มใช้คือ เครอ่ื งนับรงั สแี บบไกเกอรม์ ึลเลอร์ ครูอาจสาธิตหรือนำ�เสนอคลิปวีดิทัศน์เกี่ยวกับการใช้เคร่ืองนับรังสีแบบไกเกอร์มึลเลอร์วัดรังสีจาก วตั ถทุ มี่ อี ตั ราการแผร่ งั สนี อ้ ย เชน่ ตะกวั่ บดั กรี กอ้ นหนิ บางชนดิ หรอื จานกระเบอื้ งบางใบ โดยในการสาธติ หรือชมคลิปวีดิทัศน์ ครูเน้นให้นักเรียนสังเกตเสียงที่ได้ยินจากเคร่ืองนับรังสี แล้วอภิปรายร่วมกันเก่ียวกับ ลกั ษณะของเสยี งทไ่ี ดย้ นิ ซงึ่ ควรสรปุ ไดว้ า่ เสยี งทไี่ ดย้ นิ เกดิ ขน้ึ ไมส่ ม�่ำ เสมอ แสดงวา่ การสลายของนวิ เคลยี ส ของธาตุและไอโซโทปกัมมนั ตรังสเี ปน็ ปรากฏการณท์ ี่เกิดขึ้นแบบสุ่ม ขอ้ เสนอแนะการทำ�กิจกรรม ∙ ในการทำ�กิจกรรมสาธิตการวัดรังสีด้วยเครื่องนับไกเกอร์ วัตถุที่ใช้ควรเป็นวัตถุท่ีมีอัตราการแผ่ รังสีน้อย เพราะ ถ้าวัตถุอัตราการแผ่รังสีมากเกินไป จำ�นวนครั้งที่ได้ยินเสียงจากเครื่องนับต่อวินาทีจะถี่ มาก จนทำ�ให้สงั เกตหรือนบั ได้ยาก อีกทง้ั วตั ถทุ ่มี อี ตั ราการแผ่รังสีมากอาจเป็นอนั ตรายกับนักเรียน ∙ เพอ่ื ไมใ่ หเ้ กดิ ความเขา้ ใจคลาดเคลอ่ื น ครคู วรอธบิ ายวา่ ความถขี่ องจ�ำ นวนครง้ั ทไ่ี ดย้ นิ เสยี งจาก เคร่ืองนับไกเกอร์ต่อหน่ึงหน่วยเวลาสามารถใช้บอกได้ว่า ปริมาณรังสีที่แผ่ออกมาจากวัตถุท่ีวัดมีมากหรือ นอ้ ย แต่ไมส่ ามารถระบุค่ากมั มันตภาพจากความถ่ีของจำ�นวนครัง้ ทไี่ ด้ยินเสยี งจากเคร่อื งนับไกเกอร์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

146 บทท่ี 20 | ฟิสกิ สน์ วิ เคลียรแ์ ละฟิสกิ สอ์ นุภาค ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 ครูให้นักเรียนศึกษาหลักการทำ�งานของเครื่องนับรังสีแบบไกเกอร์มึลเลอร์ตามรายละเอียดใน หนังสือเรียน จากน้ัน ครูต้ังคำ�ถามให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันว่า ถ้าจะศึกษาเชิงปริมาณเก่ียวกับรังสี จะมีวิธีการอย่างไร โดยเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอยา่ งอสิ ระ ไม่คาดหวังค�ำ ตอบท่ถี กู ตอ้ ง ครูต้ังคำ�ถามให้นักเรียนอภิปรายว่า การสลายของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีเป็นแบบสุ่ม จะ เทียบกับการโยนเหรียญหรือทอดลูกบาศก์ได้อย่างไร โดยเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่าง อิสระ ไมค่ าดหวังคำ�ตอบทีถ่ ูกต้อง ครูนำ�เข้าสู่กิจกรรม 20.1 โดยต้ังคำ�ถามว่า ถ้าเปรียบการทอดลูกบาศก์กับการสลายของนิวเคลียส กัมมันตรังสี จะมีวิธกี ารอย่างไร ความรู้เพิม่ เตมิ ส�ำ หรบั ครู เคร่ืองวัดรงั สี การวัดปรมิ าณรงั สีทำ�ได้โดยอาศัยการวดั ปรมิ าณไอออนของแก๊สท่แี ตกตวั ซึง่ เกิดข้ึนเมือ่ รังสผี ่านเครือ่ งวัด เช่น ในกรณขี อง เครื่องตรวจวดั อนภุ าคแบบห้องหมอก (cloud chamber) ปรมิ าณรงั สีข้นึ อยกู่ บั จำ�นวนรอยทาง (track) ทีส่ ังเกตได้ ดงั รูป ก. ซง่ึ แสดงรอยทางของอนภุ าค แอลฟาและบตี าทป่ี ลอ่ ยออกมาจากสารประกอบทอเรยี มทวี่ างอยขู่ า้ งในเครอื่ ง จ �ำ นวนของรอยทาง ท่เี กดิ ขน้ึ น้ีจะแปรผนั ตรงกบั ปริมาณรงั สที ่แี ผอ่ อกมาจากธาตุกัมมันตรงั สี รูป ก. ภาพถา่ ยของรอยทางของอนภุ าคแอลฟาและบีตาในหอ้ งหมอก เครอื่ งมอื อิเลก็ ทรอนิกส์ท่ใี ช้วดั รงั สโี ดยท่วั ไป สะดวกต่อการวดั และเป็นแบบท่ีงา่ ยท่สี ุดได้แก่ เครอ่ื งนบั รงั สแี บบไกเกอรม์ ลึ เลอร์ (Geiger-Müller Counter) หรอื เครอ่ื งนบั ไกเกอร์ (GM counter) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เล่ม 6 บทที่ 20 | ฟสิ กิ ส์นิวเคลียรแ์ ละฟสิ ิกส์อนุภาค 147 มีหวั วดั ท�ำ ด้วยโลหะ(ทองแดงหรอื ทองเหลือง)หรือหลอดแก้วท่ีมีโลหะฉาบผิวดา้ นในดงั รปู ข.มีเสน้ ลวดอย่ตู รงกลางหลอดเปน็ อิเล็กโทรดทีต่ ่อกบั แบตเตอร่ี เพือ่ ใหม้ คี วามต่างศักยร์ ะหวา่ งตัวหลอด และเสน้ ลวด ภายในหลอดแกว้ บรรจแุ กส๊ เฉอ่ื ย (เชน่ นอี อน) ทม่ี คี วามดนั ต�ำ่ (ประมาณ 0.1 บรรยากาศ) ศกั ย์ไฟฟา้ ท่ีใชอ้ ยใู่ นชว่ ง 500 – 1000 โวลต์ รูป ข. เครอื่ งนับรังสไี กเกอรแ์ บบตา่ ง ๆ เมอ่ื อนภุ าคทม่ี ปี ระจผุ า่ นไปในหวั วดั จะท�ำ ให้ สายไฟตอ� ไปยังตัวเครอ่ื ง อเิ ล็กตรอน แก๊สเฉ่ือยภายในหลอดแตกตวั เปน็ ไอออน ไอออน ลวดโลหะทม่ี ปี ระจบุ วก บวกจะเคลื่อนไปยังผิวของหลอดซ่ึงมีศักย์ไฟฟ้าลบ ส่วนอิเล็กตรอนจะว่ิงเข้าสู่เส้นลวดซ่ึงมีศักย์ไฟฟ้า อะตอมของแก�ส บวก ดังรปู ค. ดังนัน้ แกส๊ ทอ่ี ยู่ในหลอดจะทำ�หนา้ ท่ีเป็นตัวนำ�ไฟฟ้าทำ�ให้มีสัญญาณไฟฟ้าอยู่ในวงจร ไอออน ซึ่งต่อเข้ากับเครื่องขยายและเคร่ืองนับสัญญาณ รังสี เคร่ืองนับนจ้ี ะวดั ปรมิ าณของรังสีได้ รูป ค. เคร่อื งนบั รงั สีไกเกอร์แบบต่าง ๆ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

148 บทที่ 20 | ฟิสกิ สน์ ิวเคลยี ร์และฟสิ กิ ส์อนุภาค ฟสิ กิ ส์ เล่ม 6 เครื่องวัดรังสีอีกแบบหนึ่งที่มีความไว ผลกึ ประกายแสง อนภุ าคหรอื รงั สแี กมมา มากกวา่ เครือ่ งนับไกเกอร์ และนิยมใช้วัดรงั สี โฟโตแคโทด โฟตอนพลงั งานต่ำ แกมมา คอื เครอ่ื งนบั ประกายแสง (scintillation โฟโตอิเลก็ ตรอน counter) ซง่ึ ใชห้ ลกั การเปลย่ี นพลงั งานของรงั สี 0V แกมมาซึ่งเป็นโฟตอนพลังงานสูงให้อยู่ในรูป +200 V โฟตอนพลังงานตำ�่ เม่อื โฟตอนเข้าไปในหลอด +400 V ตรวจวดั แสงแบบทวคี ณู (photomultiplier tube) +600 V จะไปตกกระทบผลกึ ประกายแสง (scintillation +800 V crystal) ซ่งึ ส่วนใหญใ่ ช้ผลึกโซเดียมไอโอไดด์ +1000 V (sodium iodide) จะท�ำ ให้อะตอมในผลกึ ถูก +1200 V กระตนุ้ แลว้ มกี ารปล่อยโฟตอนออกมา โฟตอน +1400 V จะไปตกกระทบอเิ ล็กโทรด (electrode) แผน่ +1600 V แรกซึ่งมศี ักย์ไฟฟา้ 200 โวลต์ ท�ำ ให้เกิดโฟโต สภุญายญในากทาอศเปน อิเลก็ ตรอน 2 อเิ ลก็ ตรอน ดงั รปู ง. โฟโต สญั ญาณขยายออก อเิ ลก็ ตรอน 2 นจ้ี ะถกู เรง่ ผา่ นความต่างศักย์ ไปยังเคร่ืองนบั สัญญาณ 200 โวลต์ ไปตกกระทบอเิ ลก็ โทรดแผ่นที่ 2 ทีม่ ีศกั ย์ไฟฟา้ 400 โวลต์ รปู ง. เครื่องนับประกายแสงโดย ใชผ้ ลกึ โซเดยี มไอโอไดด์ ท�ำ ใหม้ โี ฟโตอิเลก็ ตรอน 4 อเิ ลก็ ตรอนหลุดออกมา เม่ือโฟโตอเิ ล็กตรอนนีถ้ ูกเร่งผา่ นความ ตา่ งศกั ย์ 200 โวลต์ ไปตกกระทบอเิ ลก็ โทรดแผน่ ที่ 3 4 5... จำ�นวนโฟโตอเิ ล็กตรอนจะเปน็ 8 16 32... จ�ำ นวนโฟโตอิเล็กตรอนทห่ี ลุดออกมาจึงเปน็ แบบทวคี ูณ ในที่สุดเมื่อโฟโตอเิ ลก็ ตรอนไปตกก ระทบอเิ ล็กโทรดแผ่นท่ี 10 จำ�นวนโฟโตอเิ ล็กตรอนที่หลดุ ออกมาเปน็ 1024 อิเลก็ ตรอน ซง่ึ เป็น 512 หรือประมาณ 500 เท่าของจ�ำ นวนโฟโตอิเล็กตรอนทีห่ ลุดออกมาจากอเิ ล็กโทรดแผน่ แรก เม่อื ตอ่ สญั ญาณขาออก (output signal) จากแผ่นอเิ ล็กโทรดสดุ ทา้ ยไปยงั เครือ่ งนบั สัญญาณ เครื่ องนับน้ีจะวัดปริมาณของรงั สไี ด้ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 บทที่ 20 | ฟสิ กิ สน์ วิ เคลยี รแ์ ละฟสิ ิกสอ์ นุภาค 149 ความรู้เพิ่มเติมสำ�หรับครู (เรยี บเรียงจาก หนงั สือเรยี นรายวชิ าเพิม่ เติมคณิตศาสตร์ ชัน้ มัธยมศกึ ษาปที ี่ 5 เล่ม 2 ตาม ผลการเรียนรู้ กลุ่มสาระการเรียนรู้วทิ ยาศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี (ฉบบั ปรับปรุง พ.ศ. 2560) ตามหลกั สูตรแกนกลางการศึกษาข้ันพ้นื ฐานพุทธศกั ราช 2551) ความนา่ จะเป็น ความนา่ จะเป็นคือ จ�ำ นวนทบ่ี ่งบอกโอกาสทเ่ี หตุการณห์ นึ่งจะเกดิ ขน้ึ ซ่งึ ในทางคณิตศาสตร์ มีค�ำ ศพั ทแ์ ละค�ำ อธบิ ายทีเ่ กีย่ วข้อง ดังน้ี 1. การทดลองสุ่มและเหตุการณ์ การทดลองสุ่ม (random experiment) คอื การทดลองทผ่ี ูท้ ดลองทราบวา่ จะเกดิ ผลผลลัพธ์ อะไรได้บา้ ง แตไ่ มส่ ามารถบอกได้อย่างแนน่ อนวา่ ในแต่ละครั้งที่ทดลอง ผลทเี่ กดิ ขึ้นจะเป็น อะไรในจำ�นวนผลลัพธท์ ี่อาจเปน็ ไปไดเ้ หล่านัน้ เช่น ในการทอดลกู บาศก์ที่มี 6 หน้า 1 คร้ัง หน้า ทห่ี งายอาจเปน็ หน้าทีแ่ ต้มสีไว้ 1 2 3 4 5 หรือ 6 จุด แต่ไม่สามารถบอกได้อย่างแน่นอนวา่ จะหงายหนา้ ใด เรยี กการทอดลูกบาศก์ดังกลา่ ววา่ การทดลองสมุ่ 2. เหตกุ ารณ์ ผลลัพธ์ที่สนใจจากการทดลองส่มุ เรียกว่า เหตุการณ์ (event) เช่น การทอดลกู บาศก์ 1 ลกู 1 คร้ัง ถ้าสนใจหนา้ ทีแ่ ตม้ สไี ว้ 6 จดุ การทีล่ กู บาศกห์ งายหนา้ แต้มสี 6 จุด คอื เหตุการณ์ หรือ ถา้ สนใจเฉพาะหน้าทแ่ี ต้มสไี ว้มากกวา่ 3 จดุ เหตกุ ารณ์คือ การที่ลกู บาศก์หงายหน้าแตม้ สี 4 5 และ 6 จุด 3. ความน่าจะเป็น ถา้ ต้องการหาโอกาสที่เหตกุ ารณ์ท่ีสนใจจะเกดิ ขน้ึ มากน้อยเพยี งใด เช่น โอกาสทเ่ี หรียญท่เี ทีย่ ง ตรง 1 เหรยี ญจะขึน้ หัวเม่ือถกู โยนหนึ่งคร้งั หรอื โอกาสทลี่ ูกบาศก์ 1 ลูกท่ีเทีย่ งตรงจะหงายหนา้ แตม้ สหี กจดุ เมอ่ื ถกู ทอดหนง่ึ ครง้ั วธิ หี นง่ึ ทใ่ี ชห้ าค�ำ ตอบคอื ท�ำ การทดลองสมุ่ นน้ั ซ�ำ้ หลาย ๆ ครง้ั เชน่ ในการหาโอกาสทเ่ี หรยี ญ 1 เหรยี ญจะขน้ึ หวั อาจโยนเหรยี ญ 100 ครง้ั และถา้ พบวา่ มีเหรียญ 55 ข้นึ หัว 55 คร้ัง และข้ึนก้อย 45 ครง้ั อตั ราส่วน 100 ซงึ่ เท่ากบั 0.55 หรือ 55% เป็นตัวเลข ทบ่ี อกใหท้ ราบวา่ เหรยี ญมโี อกาสจะขนึ้ หวั มากนอ้ ยเพยี งใดและเมอ่ื ท�ำ การทดลองมากขน้ึ อตั รา สว่ นทไ่ี ดจ้ ะนา่ เชอื่ ถอื มากขนึ้ อ ยา่ งไรกด็ ีวธิ นี ไ้ี มส่ ามารถบอกไดแ้ นน่ อนวา่ ควรท�ำ การทดลองสมุ่ จำ�นวนก่คี รั้งจึงจะเหมาะสม อีกทั้ง การท�ำ การทดลองสุ่มหลาย ๆ ครง้ั ยอ่ มเสียเวลามาก และไม่ สะดวก จึงใช้วิธีคำ�นวณจากอัตราสว่ น ระหว่างจำ�นวนเหตุการณ์ทส่ี นใจ หารดว้ ยผลลพั ธ์ทีเ่ ป็น สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

150 บทที่ 20 | ฟิสิกสน์ ิวเคลยี ร์และฟิสิกส์อนภุ าค ฟิสิกส์ เลม่ 6 ไปไดท้ งั้ หมดจากการทดลองสมุ่ ทงั้ น้ีผลลพั ธท์ เ่ี กดิ ขน้ึ จะตอ้ งเปน็ ผลลพั ธท์ ม่ี โี อกาสเกดิ ขนึ้ ไดเ้ ทา่ กัน เท่าน้นั เรียกอัตราสว่ นดังกลา่ วว่า ความน่าจะเป็น (probability) ของเหตุการณ์ ความนา่ จะเปน็ คอื จ�ำ นวนที่บอกใหท้ ราบวา่ เหตกุ ารณ์ท่ีสนใจมโี อกาสเกิดขน้ึ มากน้อย เพียงใด ตัวอยา่ งเชน่ ในการทอดลกู บาศกท์ ี่เท่ียงตรง 2 ลูก 1 ครง้ั ถ้าสนใจเหตุการณ์ท่ีผลบวก ของจำ�นวนจุดทีแ่ ต้มสีเป็น 5 จะพบวา่ เหตุการณท์ ีเ่ ปน็ ไปได้คอื ลกู ท่ีหน่ึงหงายหนา้ ที่แต้มสี 1 2 3 และ 4 จดุ สว่ นลูกท่ีสองหงายหนา้ ท่แี ตม้ สี 4 3 2 และ 1 จดุ ตามล�ำ ดับ นัน่ คอื จ�ำ นวนเหตุการณท์ ส่ี นใจมที ้ังหมด 4 เหตกุ ารณ์ ในขณะที่ ผลลัพธ์ทเี่ กิดข้ึนได้ทงั้ หมดมจี �ำ นวน 6 × 6 = 36 ดังนนั้ โอกาสท่ีลกู บาศก์ท้งั 2 ลูก จะหงายหน้าทท่ี ำ�ให้ผลบวกจ�ำ นวนจดุ ท่ีแตม้ สี ของหนา้ ที่หงายเปน็ 5 จึงเทา่ กบั 4 1 36 9 ทง้ั น้ี การหาความนา่ จะเปน็ ของเหตกุ ารณท์ ไ่ี ดก้ ลา่ วมาแลว้ ขา้ งตน้ เปน็ การหาความนา่ จะเปน็ โดยใช้ ความนา่ จะเปน็ เชงิ ทฤษฎี (theoretical probability) หรอื ความนา่ จะเปน็ ทางคณติ ศาสตร์ ภายใตส้ มมตฐิ านวา่ ผลลพั ธท์ เ่ี กดิ ขน้ึ ทง้ั หมดมโี อกาสเกดิ ขน้ึ ไดเ้ ทา่ กนั เทา่ นน้ั แตอ่ ยา่ งไรกด็ ีเหตกุ ารณ์ หลายเหตุการณใ์ นชวี ิตจรงิ ไมส่ ามารถใช้วธิ ีการทก่ี ล่าวมาค�ำ นวณหาความนา่ จะเปน็ ได้ เช่น การหา ความน่าจะเป็นที่จะมีฝนตกในแต่ละเดือนของปี ซ่งึ ในแตล่ ะเดือน โอกาสทฝ่ี นตกไม่เทา่ กนั หรือ การหาความนา่ จะเปน็ ทค่ี นคนหนง่ึ จะเปน็ โรคมะเรง็ ปอด ซง่ึ โอกาสทแ่ี ตล่ ะคนจะเปน็ โรคมะเรง็ ปอด ไมเ่ ท่ากัน ทง้ั นี้ ขึ้นอยกู่ ับวา่ บุคคลนน้ั อยใู่ นกลมุ่ เสีย่ งหรอื ไม่ เช่น เปน็ ผ้ทู ีส่ บู บุหรเี่ ป็นประจำ�หรอื ไม่ ดงั นน้ั ในการหาความนา่ จะเป็นของเหตกุ ารณ์ดงั กลา่ ว อาจตอ้ งใชว้ ธิ ีการอน่ื เชน่ ใช้ข้อมลู ท่ไี ด้จาก การทดลองซำ้�หลาย ๆ ครงั้ หรอื ใช้การสมุ่ ตวั อยา่ ง ยกตัวอย่างในกรณกี ารหาความน่าจะเปน็ ท่สี ินค้า ทผ่ี ลิตไม่ไดม้ าตรฐาน จากการทีบ่ ริษัทผลติ สินค้าไดว้ นั ละ 100000 ช้ิน อาจใชว้ ิธีการสุม่ ตัวอยา่ งเพ่ือ หาวา่ จากสนิ คา้ ทส่ี มุ่ มา100ชน้ิ มสี นิ คา้ ทไ่ี มไ่ ดม้ าตรฐานกชี่ นิ้ ถา้ พบวา่ มสี นิ คา้ 3ชน้ิ ทไ่ี มไ่ ดม้ าตรฐาน อาจสรุปไดว้ า่ ความนา่ จะเปน็ ที่สนิ คา้ จะไมไ่ ดม้ าตรฐานเท่ากับ หรอื 3% ความน่าจะเป็นชนดิ น้ี เรยี กวา่ ความนา่ จะเปน็ เชงิ การทดลอง (experimental probability) ซงึ่ จะมคี วามถูกต้องแมน่ ยำ� เพยี งใด ขึน้ อยู่กบั ขนาดของกลมุ่ ตวั อย่างท่ีเลือกมา รวมถงึ การสุม่ ตัวอยา่ ง การทดลองซ้ำ�เพอ่ื ให้ เกิดความมน่ั ใจ โดยมักพบความนา่ จะเป็นเชิงการทดลองในการส�ำ รวจความคิดเหน็ ของประชากร การทดสอบผลของยา การทดสอบคุณภาพสินค้า สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 บทที่ 20 | ฟสิ ิกส์นวิ เคลียร์และฟิสิกสอ์ นุภาค 151 กจิ กรรม 20.1 สถานการณจ์ ำ�ลองการสลายของนวิ เคลียสกัมมนั ตรังสี จดุ ประสงค์ 1. อธบิ ายคา่ คงตวั การสลายของนวิ เคลยี สกมั มนั ตรงั สเี ปรยี บเทยี บกบั การทอดลกู บาศก์ เวลาทใ่ี ช้ 60 นาที วสั ดุและอปุ กรณ์ 1 กลอ่ ง 1. กล่องใสล่ ูกบาศก์ 50 ลกู 2. ลกู บาศก์ 6 หน้า แต้มสี 1 หนา้ 1 อัน 3. ถาดหรอื ภาชนะรองรับลูกบาศก ์ ตวั อยา่ งผลการท�ำ กิจกรรม จำนวนลูกบาศก จำนวนลกู บาศกที่หงายหนา แตมสี คาเฉลยี่ ความ ทีท่ อด ของการทอดคร้ังท่ี นาจะเปน 30 12 345 4.60 0.15 40 57 443 7.20 0.18 50 10 6 6 3 11 9.00 0.18 8 9 10 5 13 แนวคำ�ตอบคำ�ถามทา้ ยกิจกรรม □ ความนา่ จะเปน็ ทล่ี กู บาศกจ์ ะหงายหนา้ แตม้ สจี ากการทอดลกู บาศกจ์ �ำ นวน 30 40 และ 50 ลกู แตกต่างกนั หรอื ไม่ อย่างไร แนวค�ำ ตอบ ความนา่ จะเปน็ ทล่ี กู บาศกจ์ ะหงายหนา้ แตม้ สจี ากการทอดลกู บาศกจ์ �ำ นวน 30 40 และ 50 ลกู ใกล้เคยี งกัน □ ถา้ เปรยี บเทยี บกบั คา่ ความนา่ จะเปน็ ทล่ี กู บาศกจ์ ะหงายหนา้ แตม้ สที างคณติ ศาสตร์ คา่ ทไี่ ดจ้ าก การทำ�กจิ กรรมเปน็ อย่างไร แนวค�ำ ตอบ ค่าทไ่ี ดใ้ กลเ้ คยี งกบั ค่าความน่าจะเปน็ ทางคณติ ศาสตร์ คอื 1/6 หรือ 0.166 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

152 บทท่ี 20 | ฟิสิกส์นวิ เคลียรแ์ ละฟิสิกส์อนภุ าค ฟิสิกส์ เล่ม 6 □ ถา้ เพมิ่ จ�ำ นวนครงั้ ทท่ี อดเปน็ 100 ครง้ั หรอื เพม่ิ จ�ำ นวนลกู บาศกเ์ ปน็ 1000 ลกู ความนา่ จะเปน็ ทไ่ี ดจ้ ากการทำ�กจิ กรรรมจะแตกตา่ งไปจากเดิมหรือไม่ อย่างไร แนวค�ำ ตอบ ความน่าจะเปน็ แตกตา่ งจากเดิมโดยมแี นวโน้มทีจ่ ะได้คา่ ทีใ่ กลเ้ คียงกับความนา่ จะ เปน็ ทางคณิตศาสตร์มากยง่ิ ขึ้น อภิปรายหลังการท�ำ กิจกรรม ครแู ละนกั เรยี นรว่ มกนั อภปิ รายผลการท�ำ กจิ กรรม โดยใชค้ �ำ ถามทา้ ยกจิ กรรม 20.1 จนสรปุ ไดว้ า่ - ถ้าลูกบาศก์มี 6 หน้า และมีหน้าท่ีแต้มสีหนึ่งหน้า โอกาสท่ีลูกบาศก์แต่ละลูกจะหงาย หนา้ แต้มสีจะใกล้เคยี งกบั คา่ ความนา่ จะเป็นทางคณิตศาสตร์ คอื 1 ใน 6 - จำ�นวนลูกบาศก์ท่ีหงายหน้าแต้มสีของการทอดแต่ละคร้ัง ข้ึนอยู่กับจำ�นวนลูกบาศก์ ท้ังหมดที่ทอดในครั้งน้ัน ๆ หลักการดังกล่าวนี้เป็นเช่นเดียวกับการสลายของนิวเคลียส ของธาตุกัมมันตรังสี กล่าวคือทุก ๆ นิวเคลียสมีโอกาสในการสลายเท่ากัน และจำ�นวน นิวเคลียสที่สลายในขณะหน่ึงๆ จะขึ้นอยู่กบั จ�ำ นวนนิวเคลยี สท้ังหมดทม่ี อี ย่ใู นขณะนั้น - ความนา่ จะเปน็ หรอื โอกาสทล่ี กู บาศกจ์ ะหงายหนา้ แตม้ สใี นการทอดแตล่ ะครง้ั เปรยี บได้ กับ ความนา่ จะเป็นหรือโอกาสทนี่ วิ เคลยี สจะเกิดการสลายในหน่ึงหน่วยเวลา ครนู �ำ อภปิ รายเกย่ี วกบั คา่ คงตวั การสลาย จนสรปุ ไดว้ า่ คา่ คงตวั การสลายเปน็ คา่ เฉพาะของนวิ เคลยี ส แต่ละชนิด นิวเคลียสของธาตกุ ัมมนั ตรงั สใี ดมีค่าคงตัวการสลายมาก แสดงว่า นิวเคลียสนนั้ มีโอกาสมากที่ จะสลายในหน่ึงหนว่ ยเวลา ตามรายละเอยี ดในหนงั สอื เรียน ครูอาจถามคำ�ถามชวนคิด แล้วอภิปรายร่วมกัน โดยครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็น อยา่ งอสิ ระ ไมค่ าดหวังคำ�ตอบที่ถกู ตอ้ ง แนวคำ�ตอบชวนคิด ถา้ มลี กู เหลี่ยม 20 หนา้ โดยแต่ละหนา้ มโี อกาสหงายได้เท่า ๆ กัน และมีหน้าทแ่ี ตม้ สีไว้ 1 หนา้ หลังทอดลูกเหลี่ยมนอี้ อกไป จงหาโอกาสทีล่ กู เหล่ยี มนจ้ี ะหงายหน้าทีแ่ ต้มสีไว้ แนวค�ำ ตอบ โอกาสทล่ี กู เหลย่ี มนจ้ี ะหงายหนา้ แตม้ สี 1 หนา้ คอื 1/20 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เล่ม 6 บทที่ 20 | ฟิสกิ สน์ ิวเคลียร์และฟิสิกสอ์ นภุ าค 153 ครใู หน้ กั เรยี นศกึ ษา ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งกมั มนั ตภาพกบั คา่ คงตวั การสลาย จากนนั้ อภปิ รายรว่ มกนั จนสรุปไดส้ มการ (20.8) ตามรายละเอียดในหนงั สือเรียน ครใู ห้นักเรยี นศึกษาตัวอยา่ ง 20.6 และ 20.7 จากนน้ั ให้นกั เรยี นตอบคำ�ถามตรวจสอบความเข้าใจ 20.2 ข้อ 5 6 7 และ 8 และทำ�แบบฝกึ หัด 20.2 ขอ้ 4. ทั้งนี้ อาจมกี ารเฉลยค�ำ ตอบและอภปิ รายคำ�ตอบ ร่วมกนั ความร้เู พม่ิ เตมิ ส�ำ หรบั ครู หน่วยวัดรังสี การพิจารณาว่า รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีจำ�นวนหนึ่งมีปริมาณของมากน้อยเพียงใด อาจ พจิ ารณาได้ 2 วิธี วธิ ีแรกคือ พิจารณาจากอัตราการสลายหรอื ที่เรยี กว่า กมั มันตภาพ (activity) ของธาตุกมั มันตรังสจี ำ�นวนนั้น ธาตุจำ�นวนหนงึ่ ท่ีมีกมั มันตภาพสงู ย่อมใหป้ รมิ าณรงั สมี ากกวา่ ธาตุ อกี จ�ำ นวนหนง่ึ ทีม่ กี ัมมันตภาพตำ่�ในชว่ งเวลาเทา่ กัน อกี วธิ ีหนึง่ พิจารณาจากการเปล่ยี นแปลงของ สิ่งแวดล้อมหรือสิ่งมีชวี ติ เมอ่ื ได้รบั รังสี เช่น เมือ่ ใหร้ งั สีน้ันผา่ นเข้าไปในอากาศจะท�ำ ใหอ้ ากาศแตก ตวั เปน็ ไอออนมากนอ้ ยเพยี งใด วธิ นี ี้จะมีความสัมพันธก์ ับปริมาณรงั สที ่ธี าตุกมั มันตรงั สนี น้ั แผ่ออก มาโดยตรง จงึ เรียกว่า ปรมิ าณการได้รบั รังสี (radiation dose) หนว่ ยการวัดปรมิ าณรงั สจี ึงจำ�แนก ออกเป็น 2 หน่วยคอื ก. หนว่ ยของกมั มันตภาพ (activity units) ไดแ้ ก่ คูรี (Ci) เปน็ หน่วยแรกทใี่ ช้วดั กัมมนั ตภาพ กำ�หนดวา่ 1 คูรี คือ กัมมนั ตภาพของ เรเดยี ม –226 มวล 1 กรัม ซ่งึ มกี ารสลาย 3.7 × 1010 นวิ เคลยี สตอ่ วินาที 1 Ci = 3.7 × 1010 s-1 เบ็กเคอเรล (Bq) เปน็ หน่วยมาตรฐานในระบบ เอสไอ ก�ำ หนดวา่ 1 เบก็ เคอเรลเทา่ กับอตั รา การสลายของนิวเคลยี ส 1 นิวเคลยี สตอ่ วินาที หรอื 1 disintegration per second (dps) 1Bq = 1 s-1 = 1 dps ข. หน่วยของปริมาณการไดร้ ับรังสี (radiation dose units) อาจแบ่งได้เปน็ 3 ประเภท ดงั น้ี 1. ปรมิ าณรงั สที ่ที ำ�ให้อากาศแตกตวั (exposure dose) เปน็ หนว่ ยท่ีกำ�หนดขึ้นโดยการวดั ปรมิ าณการแตกตวั เปน็ ไอออนของอากาศเมอ่ื ไดร้ บั รงั สี ซง่ึ ในอดตี หนว่ ยทใ่ี ชค้ อื เรนิ ตเ์ กน (R)โดยก�ำ หนดวา่ 1เรนิ ตเ์ กนคอื ปรมิ าณรงั สเี อกซห์ รอื รงั สแี กมมาทสี่ ามารถท�ำ ใหอ้ ากาศ แห้งปรมิ าตร 1 ลกู บาศกเ์ ซนติเมตร ท่ี S.T.P แตกตัวเปน็ ไอออนท่ีมีประจไุ ฟฟา้ 3.33 × 10-10 คลู อมบ์ ในปจั จุบันในระบบเอสไอ หน่วยทใี่ ชร้ ะบุปริมาณรังสที ่ที ำ�ให้ อากาศแตกตัว คอื คูลอมบต์ ่อกโิ ลกรัม (C/kg) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

154 บทที่ 20 | ฟสิ กิ สน์ ิวเคลยี ร์และฟสิ ิกส์อนภุ าค ฟสิ กิ ส์ เล่ม 6 2. ปรมิ าณรงั สีทถ่ี กู ดูดกลืน (absorbed dose) เปน็ หนว่ ยท่กี ำ�หนดขึน้ โดยการวดั ปริมาณ พลังงานของรงั สีทีธ่ าตหุ รือวตั ถดุ ูดกลืนไว้ ซ่งึ ในอดีต หนว่ ยทใี่ ชค้ อื แรด (radiation absorbed dose, rad) โดยก�ำ หนดวา่ 1 แรด คอื ปรมิ าณรงั สที ีท่ �ำ ให้วัตถุไดร้ ับพลงั งาน 0.01 จลู ต่อมวล 1 กิโลกรัมของวตั ถนุ ้ัน ในปัจจุบนั ในระบบเอสไอ หนว่ ยทใี่ ช้ระบปุ รมิ าณรงั สที ่ีถกู ดูดกลืน คอื เกรย์ (Gy) 3. ปริมาณรงั สสี มมูล (equivalent dose) หรอื RBE (relative biological effective ness) dose เป็นหน่วยที่กำ�หนดขนึ้ โดยการวดั ปริมาณรังสีทม่ี นษุ ยไ์ ด้รบั โดยเปรยี บ เทียบผลทางชีววทิ ยา ซงึ่ ในอดตี หน่วยทใี่ ชค้ ือ เรม (roentgen equivalent man, rem) โดยกำ�หนดว่า 1 เรม คือ ปริมาณรังสใี ด ๆ ทส่ี ามารถกอ่ ใหเ้ กดิ ผลทางชวี วิทยาตอ่ ร่างกาย เทียบเทา่ กับเมือ่ ไดร้ ับรงั สีเอกซห์ รือรงั สแี กมมา 1 เรนิ ตเ์ กน ในปจั จุบนั ในระบบเอสไอ หนว่ ยท่ีใช้ระบปุ รมิ าณรังสีสมมลู คอื ซีเวิร์ต (Sv) หน่วยของการวดั รงั สี ในอดตี และในระบบเอสไอ ดงั แสดงในตารางด้านล่าง หนว ยเอสไอ ปรมิ าณ หนว ยเดิม ชื่อ สญั ลักษณ ในรปู ในรปู หนวยฐาน หนว ยอน่ื กัมมันตภาพ ครู ี เบ็กเคอเรล Bq s-1 - (activity) (Ci) (Becquerel) รังสที ท่ี ำใหอากาศการ เรนิ ตเ กน คลู อมบต อ กโิ ลกรมั C/kg kg-1s A - แตกตัวเปน ไอออน (R) (coulomb per (exposure) kilogram) รังสีทีถ่ ูกดดู กลนื รงั สี แรด เกรย Gy m2s-2 J/kg (absorbed dose) (rad) (gray) รังสสี มมลู เรม ซีเวิรต Sv m2s-2 J/kg (dose equivalent) (rem) (Sievert) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 บทที่ 20 | ฟสิ กิ ส์นวิ เคลียรแ์ ละฟิสกิ สอ์ นุภาค 155 20.2.5 ครงึ่ ชีวิต แนวคดิ ท่ีถกู ต้อง ความเขา้ ใจคลาดเคล่ือนท่ีอาจเกดิ ขึ้น 1. ครงึ่ ชวี ติ คอื ชว่ งเวลาทธี่ าตกุ มั มนั ตรงั สจี ะ ความเขา้ ใจคลาดเคล่ือน สลายไปเหลอื ปรมิ าณครงึ่ หนง่ึ ของปรมิ าณ เดมิ 1. คร่ึงชีวิต คือ ครึ่งหน่ึงของช่วงเวลาท่ีธาตุ กมั มันตรงั สีจะสลายไปจนหมด 2. ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี ข้ึนอยู่กับ 2. คร่ึงชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี ไม่ข้ึนกับ ปัจจัยภายนอก เช่น อุณหภูมิ ความดัน ปัจจัยภายนอก เช่น อุณหภูมิ ความดัน ภาชนะท่บี รรจธุ าตุกมั มนั ตรังสี ภาชนะ แตข่ น้ึ กบั ชนดิ ของธาตกุ มั มนั ตรงั สี เท่าน้นั 3. ธาตกุ มั มนั ตรงั สจี ะเรม่ิ แผร่ งั สเี มอ่ื เวลาผา่ น 3. ธาตกุ มั มันตรังสีมกี ารแผ่รังสตี ลอดเวลา ไปเท่ากบั ครง่ึ ชีวิตเทา่ น้นั 4. ธาตุกัมมันตรังสีจะสลายจนหมดไป เม่ือ 4. ธาตกุ มั มนั ตรังสจี ะสลายจนเหลอื 1 ใน 4 เวลาผ่านไปเป็นสองเท่าของครึ่งชวี ติ เทา่ ของปรมิ าณเรมิ่ ตน้ เมอื่ เวลาผา่ นไปเปน็ สองเท่าของครงึ่ ชวี ิต สง่ิ ทคี่ รตู ้องเตรียมล่วงหนา้ 1 กล่อง 1. วสั ดแุ ละอปุ กรณส์ ำ�หรับกิจกรรม 20.2 40 ลกู - กล่องใสล่ กู บาศก ์ 1 ด้าม - ลกู บาศก์ 6 หน้า แตม้ สี 1 หน้า 1 อนั - ปากกาเมจกิ หรือชอลก์ สี - ถาดหรือภาชนะรองรบั ลกู บาศก ์ แนวการจดั การเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงคก์ ารเรียนรขู้ ้อที่ 10 และ 11 ของหวั ขอ้ 20.2 ตามหนังสือเรยี น ครนู �ำ เขา้ สหู่ วั ขอ้ 20.2.5 โดยทบทวนความรเู้ กย่ี วกบั การสลาย และ กมั มนั ตภาพ ดว้ ยการอภปิ ราย หรือใช้กิจกรรมเสนอแนะสำ�หรับครู เกมจับคู่ หรือ เกมใบ้คำ� ดังตัวอย่างที่ได้เสนอมาแล้ว จากน้ัน ครูต้ัง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

156 บทที่ 20 | ฟิสกิ ส์นวิ เคลียร์และฟสิ ิกสอ์ นุภาค ฟิสิกส์ เล่ม 6 ค�ำ ถามใหน้ กั เรยี นอภปิ รายรว่ มกนั วา่ การพจิ ารณาวา่ ธาตกุ มั มนั ตรงั สใี ดมกี ารสลายชา้ หรอื เรว็ จะพจิ ารณา จากปริมาณใดบ้าง โดยเปดิ โอกาสให้นักเรยี นแสดงความคดิ เห็นอย่างอสิ ระ ไมค่ าดหวังค�ำ ตอบที่ถูกต้อง ครใู ห้นกั เรยี นศกึ ษาความหมายของ ครงึ่ ชีวิต ในหนงั สอื เรียน จากนัน้ ครูน�ำ อภิปรายจนสรุปไดว้ า่ ครึ่งชีวิต คือ ช่วงเวลาท่ีธาตุกัมมันตรังสีสลายจนกระท่ังลดลงเหลืออยู่ครึ่งหน่ึงของปริมาณเริ่มต้น ตาม รายละเอยี ดในหนงั สือเรยี น ครูต้ังคำ�ถามให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันว่า คร่ึงชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี มีความสัมพันธ์กับ ปริมาณใดบา้ ง โดยเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคดิ เห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวงั คำ�ตอบทถี่ ูกต้อง ครใู ห้นักเรียนทำ�กจิ กรรม 20.2 กิจกรรม 20.2 สถานการณจ์ ำ�ลองครึ่งชวี ติ จดุ ประสงค์ 1. อธบิ ายครง่ึ ชวี ติ ของนวิ เคลยี สกมั มนั ตรงั สเี ปรยี บเทยี บกบั การทอดลกู บาศก์ 2. เขยี นกราฟความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งจ�ำ นวนลกู บาศกท์ เ่ี หลอื กบั จ�ำ นวนครง้ั ทท่ี อดลกู บาศก์ 3. หาครง่ึ ชวี ติ จากกราฟของลกู บาศกท์ แ่ี ตม้ สหี นง่ึ หนา้ และแตม้ สสี องหนา้ เวลาทีใ่ ช้ 60 นาที วัสดแุ ละอปุ กรณ์ 1 กล่อง 1. กล่องใส่ลูกบาศก์ 40 ลกู 2. ลูกบาศก์ 6 หนา้ แต้มสี 1 หนา้ 1 อัน 3. ปากกาเมจกิ หรอื ชอลก์ ส ี 1 อนั 4. ถาดหรือภาชนะรองรบั ลกู บาศก ์ แนะนำ�กอ่ นทำ�การท�ำ กจิ กรรม 1. ส�ำ หรบั กจิ กรรม 20.2 ตอนท่ี 2 ควรใชส้ เี มจกิ หรอื ชอลก์ สที ล่ี า้ งออกไดง้ า่ ยแตม้ ทห่ี นา้ ลกู บาศก์ หนา้ ตรงขา้ มกบั หนา้ ทแ่ี ตม้ สหี นา้ แรก เหมอื นกนั ทกุ ลกู 2. การเขยี นกราฟทใ่ี ชค้ า่ เฉลย่ี ของจ�ำ นวนลกู บาศกท์ เ่ี หลอื กบั จ�ำ นวนครง้ั ทท่ี อดทง้ั 2 ตอน ใหเ้ ขยี น บนกราฟเดยี วกนั นน่ั คอื ใหก้ ราฟทง้ั 2 ใชแ้ กนตง้ั และแกนนอนเดยี วกนั เพอ่ื สะดวกในการ วเิ คราะหแ์ ละเปรยี บเทยี บ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ สน์ วิ เคลยี ร์และฟิสกิ สอ์ นภุ าค 157 ตวั อยา่ งผลการทำ�กิจกรรม ตอนท่ี 2 ลกู บาศกแ์ ตม้ สี 2 หนา้ ตอนท่ี 1 ลกู บาศกแ์ ตม้ สี 1 หนา้ จำนวน จำนวนลูกบาศกท่ีเหลือของ จำนวน จำนวนลกู บาศกท ่ีเหลอื ของ ครง้ั ที่ การทอดคร้ังท่ี ครัง้ ที่ การทอดคร้ังที่ ทอด ทอด 1 2 3 เฉลยี่ 1 2 3 เฉลย่ี 0 40 40 40 40.00 0 40 40 40 40.00 1 34 32 34 33.33 1 29 28 25 27.33 2 29 28 29 28.67 2 22 20 18 20.00 3 25 24 23 24.00 3 17 16 14 15.67 4 21 21 19 20.33 4 14 10 11 11.67 5 18 19 15 17.33 5 10 7 6 7.67 6 15 16 11 14.00 6 8 6 6 6.67 7 12 13 10 11.67 7 6 4 5 5.00 8 11 11 9 10.33 8 5 3 4 4.00 9 10 8 8 8.67 9 3 2 2 2.33 10 7 5 6 6.00 10 2 2 2 2.00 11 5 4 6 5.00 11 1 2 1 1.33 12 4 4 5 4.33 12 1 1 1 1.00 13 2 3 4 3.00 14 2 1 3 2.00 15 1 1 1 1.00 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

158 บทที่ 20 | ฟสิ ิกสน์ ิวเคลยี ร์และฟิสกิ สอ์ นภุ าค ฟิสิกส์ เลม่ 6 �คาเฉลี่ยของจำนวน ูลกบาศก� ่ทีเหลือตวั อย่างกราฟท่ีไดจ้ ากผลการท�ำ กิจกรรม 60 50 ตอนที่ 1 40 ตอนท่ี 2 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 จำนวนครั้งท่ีทอดลูกบาศก� แนวค�ำ ตอบค�ำ ถามท้ายกจิ กรรม □ ครง่ึ ชวี ติ ของนวิ เคลยี สกมั มนั ตรงั สเี ปรยี บไดก้ บั ปรมิ าณใดในการทอดลกู บาศก์ แนวค�ำ ตอบ จ�ำ นวนครงั้ ทที่ อดลกู บาศกแ์ ลว้ ท�ำ ใหม้ ลี กู บาศกเ์ หลอื อยคู่ รง่ึ หนงึ่ ของจ�ำ นวนเรม่ิ ตน้ □ กราฟท่ีไดจ้ ากกิจกรรมท้ัง 2 ตอน มลี ักษณะเหมือนและแตกตา่ งกนั อย่างไร แนวคำ�ตอบ กราฟทไี่ ด้จากกจิ กรรมท้ัง 2 ตอน มีลกั ษณะเหมือนกนั คือ เปน็ เสน้ โค้งและตดั แกน y แต่มลี กั ษณะแตกตา่ งกันคือ กราฟในตอนท่ี 2 จำ�นวนคร้งั ทีท่ อดแล้วทำ�ให้มีจำ�นวนลกู บาศก์ ลดลงเหลือครึง่ หนึง่ นอ้ ยกวา่ ตอนท่ี 1 □ จ�ำ นวนคร้ังท่ที อดลูกบาศกแ์ ลว้ ทำ�ใหล้ ูกบาศกล์ ดลงจาก 40 ลูก เหลอื 20 ลกู จาก 20 ลกู เหลอื 10 ลกู และ จาก 10 ลูก เหลอื 5 ลกู ในกจิ กรรมตอนที่ 1 และตอนท่ี 2 มคี ่าประมาณเท่าใดบ้าง และมคี ่าเป็นสัดสว่ นกนั อยา่ งไร สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 บทที่ 20 | ฟิสกิ ส์นวิ เคลียร์และฟิสกิ ส์อนุภาค 159 แนวคำ�ตอบ จากกราฟ ในการทดลองทำ�ใหล้ กู บาศก์ลดลงจาก 40 ลกู เหลอื 20 ลูก จาก 20 ลกู เหลือ 10 ลกู และ จาก 10 ลูก เหลือ 5 ลูก มีจำ�นวนครง้ั โดยประมาณในตอนที่ 1 และ 2 คอื 4 และ 2 ครงั้ ตามล�ำ ดับ สรุป ในตอนท่ี 2 ใช้จ�ำ นวนครั้งเปน็ ครงึ่ หนง่ึ ของตอนที่ 1 โดยประมาณ อภิปรายหลังการท�ำ กจิ กรรม ครูและนักเรียนร่วมกันอภิปรายผลการทำ�กิจกรรม โดยใช้คำ�ถามท้ายกิจกรรม 20.2 จน สรปุ ไดว้ ่า - จำ�นวนครั้งท่ีทอดลูกบาศก์แล้วทำ�ให้มีลูกบาศก์เหลืออยู่คร่ึงหน่ึงของจำ�นวนเร่ิมทอด เปรยี บไดก้ บั ชว่ งเวลาทน่ี วิ เคลยี สสลายจนกระทง่ั เหลอื นวิ เคลยี สอยคู่ รง่ึ หนง่ึ ของจ�ำ นวน เร่มิ ต้น หรอื ครงึ่ ชีวติ ของนวิ เคลียสกมั มนั ตรงั สี - การที่กราฟของตอนท่ี 1 มีความโค้งน้อยกว่ากราฟตอนที่ 2 เปรียบได้กับ นิวเคลียส กมั มันตรังสใี นตอนที่ 1 มคี ร่งึ ชวี ติ มากกวา่ ในตอนที่ 2 ซ่งึ ในกิจกรรมพบวา่ ครึ่งชีวิตของ นวิ เคลยี สกัมมันตรังสีในตอนท่ี 1 มีคา่ มากกวา่ ครงึ่ ชีวติ ในตอนที่ 2 ประมาณ 2 เท่า ความร้เู พ่มิ เตมิ สำ�หรบั ครู ครูควรชี้แจงขอ้ แตกต่างระหวา่ งการเปรยี บเทยี บการสลายของนวิ เคลียส กบั กิจกรรมการ ทอดลกู บาศก์ โดยเฉพาะ การเขา้ ใจคลาดเคลอื่ นทอ่ี าจเกิดขน้ึ วา่ นวิ เคลยี สแม่ที่สลายจะได้หายไป ซ่ึงแนวคิดท่ถี กู ต้องคอื นิวเคลยี สแมท่ ีส่ ลาย จะเปลยี่ นไปเปน็ นวิ เคลยี สลูก ที่มอี งคป์ ระกอบหรือ ระดับพลงั งานแตกต่างไปจากเดิม ครูให้นักเรียนศกึ ษา กราฟของฟงั ก์ชนั เอกโพเนนเชยี ลเปรยี บเทยี บกับกราฟการสลายของ นิวเคลยี สในรูป 20.18 ในหนงั สือเรยี น แลว้ ครนู ำ�อภปิ รายเกย่ี วกบั การหาจำ�นวนนวิ เคลียสทเ่ี หลือ จากการสลาย กัมมนั ตภาพ และ มวลของธาตหุ รือไอโซโทปกมั มนั ตรังสี เมอื่ เวลาผา่ นไป t ใด ๆ จนไดส้ มการ (20.9a) (20.9b) และ (20.9c) ตามรายละเอียดในหนังสือเรยี น ครใู ห้ความรู้เพิม่ เติมว่า ในบางกรณีทเี่ วลาทผี่ ่านไปเป็นจำ�นวนเท่าของคร่ึงชวี ติ ของธาตหุ รอื ไอโซโทปกัมมนั ตรงั สี เราสามารถหาปรมิ าณต่าง ๆ ไดอ้ ีกวิธีหน่งึ จากนน้ั ใหน้ กั เรยี นศกึ ษากราฟ ระหวา่ งจ�ำ นวนนิวเคลยี สทเี่ หลืออยกู่ บั เวลาในรปู 20.20และการหาจ�ำ นวนนิวเคลียสที่เหลืออยู่เม่ือ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

160 บทที่ 20 | ฟสิ ิกสน์ วิ เคลียร์และฟิสกิ สอ์ นภุ าค ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 เวลาผ่านไป ตามรายละเอยี ดในหนังสอื เรยี น แล้วนำ�อภปิ รายจนสรปุ ไดส้ มการ N N0 , A A0 2n 2n N N0 , A A0 และ m m0 2n 2n 2n ครตู ง้ั ค�ำ ถามใหน้ กั เรยี นพจิ ารณาวา่ จ�ำ นวนนวิ เคลยี สทเ่ี วลาครง่ึ ชวี ติ เมอ่ื แทนคา่ ลงในสมการ (20.9a) จะไดผ้ ลเปน็ อยา่ งไร จากนน้ั ครนู �ำ นกั เรยี นอภปิ ราย จนได้ สมการ (20.10a) และ (20.10b) และขอ้ สรปุ ทีว่ ่า ครง่ึ ชีวติ ของธาตกุ ัมมนั ตรงั สมี คี ่าเป็นสดั สว่ นผกผันกับค่าคงตัวการสลาย ซงึ่ สอด คล้องกับผลการท�ำ กิจกรรม 20.2 ครูให้นกั เรยี นศกึ ษาคร่งึ ชีวติ ของธาตแุ ละไอโซโทปกมั มนั ตรังสบี างชนดิ ในตาราง 20.3 โดย อาจตั้งค�ำ ถามให้นกั เรยี นพิจารณาความแตกต่างระหว่างครง่ึ ชวี ิตของธาตุและไอโซโทปแตล่ ะชนิด ครใู ห้นักเรียนศกึ ษาตวั อย่าง 20.8 และ 20.9 โดยมคี รูแนะน�ำ จากนัน้ ใหน้ กั เรยี นตอบค�ำ ถาม ตรวจสอบความเขา้ ใจ 20.2 ข้อ 9 และทำ�แบบฝกึ หัด 20.2 ขอ้ 5 6 7 และ 8 ทัง้ นี้ อาจมีการเฉลย คำ�ตอบและอภปิ รายคำ�ตอบร่วมกนั แนวการวดั และประเมนิ ผล 1. ความร้เู ก่ยี วกับกัมมันตภาพรังสี รังสี การสลาย กัมมันตภาพ และ คร่งึ ชีวิต จากคำ�ถามตรวจ สอบความเขา้ ใจ 20.2 2. ทักษะการทดลอง การใช้จำ�นวน การจัดกระทำ�และส่ือความหมายข้อมูล การตีความหมาย ขอ้ มูลและลงขอ้ สรปุ ความร่วมมอื การท�ำ งานเป็นทมี และภาวะผู้น�ำ จากการท�ำ กจิ กรรม 20.1 และ 20.2 3. ทักษะการแก้ปัญหา จากการแก้โจทย์ปัญหาและการคำ�นวณปริมาณต่าง ๆ เกี่ยวกับสมการ การสลาย กัมมนั ตภาพ และ คร่งึ ชวี ิต ในแบบฝึกหดั 20.2 4. จติ วทิ ยาศาสตรด์ า้ นความมเี หตผุ ล ความมงุ่ มน่ั อดทน และดา้ นความรอบคอบ จากการอภปิ ราย ร่วมกัน และการท�ำ กิจกรรม 20.1 และ 20.2 5. จติ วทิ ยาศาสตร์ด้านความซอ่ื สตั ย์ จากรายงานผลการท�ำ กจิ กรรม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟสิ ิกสน์ ิวเคลยี รแ์ ละฟสิ ิกส์อนุภาค 161 แนวค�ำ ตอบค�ำ ถามตรวจสอบความเขา้ ใจ 20.2 1. บอกความหมายของคำ�ต่อไปนี้ ก. กมั มันตภาพรังสี ข. ไอโซโทปกมั มนั ตรังสี ค. รงั สี ง. การแผร่ งั สี แนวค�ำ ตอบ ก. กัมมนั ตภาพรังสี หมายถงึ ปรากฏการณ์ทธี่ าตุแผ่รงั สีได้เอง ข. ไอโซโทปกัมมนั ตรังสี หมายถึง ไอโซโทปของธาตุทีส่ ามารถแผ่รังสีไดเ้ อง ค. รังสีในทางฟิสิกส์นิวเคลียร์ หมายถึง อนุภาคความเร็วสูงหรือคลื่นแม่เหล็ก ไฟฟา้ ความถส่ี งู ทเี่ คลอ่ื นทอี่ อกจากแหลง่ ก�ำ เนดิ สว่ นรงั สใี นอกี ความหมายหนง่ึ หมายถึง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซ่ึงอาจมีความถ่ีต่ำ�หรือสูง เช่น รังสีอินฟราเรด รังสีอัลตราไวโอเลต ง. การแผ่รังสี หมายถึง กระบวนการทมี่ ีการปลอ่ ยรังสอี อกมาอยา่ งตอ่ เน่ือง 2. ข้อใดเปน็ สมบัตขิ องรงั สแี อลฟา บตี า และแกมมา ก. มีอำ�นาจทะลผุ า่ นนอ้ ยที่สุด ข. มคี วามสามารถในการท�ำ ให้แกส๊ แตกตวั เปน็ ไอออนได้ดที สี่ ุด ค. ตอ้ งใชว้ สั ดทุ ่มี ีความหนามากทส่ี ดุ ในการกนั้ รงั สชี นดิ นั้น ง. ไม่เบี่ยงเบนเมอื่ ผ่านเขา้ ไปในบรเิ วณท่มี สี นามแม่เหล็ก จ. เม่ือเคล่ือนท่ีผ่านบริเวณท่ีมีสนามแม่เหล็ก แนวการเคลื่อนท่ีจะเป็นแนวโค้งที่มีรัศมี ความโคง้ มากทสี่ ุด ฉ. อตั ราส่วนระหวา่ งประจุไฟฟ้าต่อมวลมีคา่ มากทส่ี ดุ แนวคำ�ตอบ ข้อ ก. ข.และ จ. เปน็ สมบัตขิ องรังสีแอลฟา ข้อ ฉ. เปน็ สมบัติของรงั สีบีตา ข้อ ค. และ ง. เป็นสมบัติของรังสีแกมมา ทง้ั นี้ ในการพจิ ารณารศั มคี วามโคง้ แนวการเคลอ่ื นที่ ทม่ี กี ารโคง้ นอ้ ยหรอื เบนออก จากแนวกง่ึ กลางน้อย จะเปน็ แนวการเคลื่อนทที่ มี่ ีรศั มีความโคง้ มาก ดงั น้ัน แนว ทางการเคล่ือนท่ีของแอลฟาท่ีเบนออกจากแนวกึ่งกลางน้อยกว่ารังสีบีตา จึงเป็นอนภุ าคตามสมบัตใิ นข้อ จ. สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

162 บทที่ 20 | ฟิสิกส์นวิ เคลยี ร์และฟสิ ิกสอ์ นภุ าค ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 3. ธาตุกัมมันตรังสีชนิดหน่ึงสลายให้บีตา เลขอะตอมและเลขมวลของธาตุใหม่เปล่ียนไปจาก ธาตุเดิมเท่าใด แนวคำ�ตอบ ธาตกุ มั มนั ตรงั สที สี่ ลายให้บีตาจะมีเลขอะตอมเพ่มิ ข้นึ 1 แต่เลขมวลเท่าเดมิ 4. เมื่อนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่งสลายให้แกมมาแล้ว นิวเคลียสนั้นจะเปลี่ยนแปลง อยา่ งไร แนวค�ำ ตอบ เมอื่ นวิ เคลยี สของธาตกุ มั มนั ตรงั สสี ลายใหแ้ กมมา นวิ เคลยี สนน้ั จะมรี ะดบั พลงั งาน ลดลง โดยเลขมวลและเลขอะตอมคงเดิม 5. ขอ้ ความใดตอ่ ไปนี้เป็นธรรมชาตกิ ารสลายของธาตุและไอโซโทปกัมมันตรงั สี ก. หลังการสลายของนิวเคลยี สแม่ นิวเคลียสลกู ทไี่ ดอ้ าจเป็นนวิ เคลยี สท่ีเสถียรหรือสลายตอ่ ไป ได้อีก ข. ธาตแุ ละไอโซโทปกมั มนั ตรังสีมกี ารสลายให้รงั สีไม่มวี ันหมด ค. เฉพาะการสลายใหแ้ อลฟาหรือบตี าท�ำ ใหไ้ ด้นวิ เคลยี สของธาตใุ หม่ ง. จ�ำ นวนนวิ เคลยี สทสี่ ลายในหนง่ึ หนว่ ยเวลาขนึ้ อยกู่ บั จ�ำ นวนนวิ เคลยี สทม่ี อี ยทู่ ง้ั หมดขณะนน้ั จ. การเพมิ่ อุณหภมู สิ ามารถเพม่ิ อตั ราการสลายได้ แนวคำ�ตอบ ข้อ ก. ค. และ ง. เปน็ ธรรมชาตขิ องการสลายของธาตุกมั มันตรังสี 6. กัมมันตภาพของธาตกุ ัมมนั ตรังสคี ืออะไร และในทางปฏิบตั สิ ามารถวัดไดอ้ ย่างไร แนวคำ�ตอบ กมั มนั ตภาพของธาตกุ มั มนั ตรงั สี คอื อตั ราการแผร่ งั สขี องธาตกุ มั มนั ตรงั สใี นขณะ หน่งึ ซ่งึ สามารถวัดไดโ้ ดยอาศัยเครอื่ งมือหลายชนดิ เชน่ เครอ่ื งนับรังสีแบบไกเกอร์ 7. ถา้ เปรียบเทยี บให้ลกู บาศก์ 6 หน้าเป็นนวิ เคลยี สกัมมันตรังสี และการหงายหนา้ แตม้ สเี ปรยี บได้ กบั การสลาย ค่าคงตัวการสลายเปรยี บไดก้ ับปริมาณใดในการทอดลกู บาศก์ แนวค�ำ ตอบ คา่ คงตวั การสลายเปรยี บไดก้ บั ความนา่ จะเปน็ ทลี่ กู บาศกจ์ ะหงายหนา้ แตม้ สจี าก การทอดแตล่ ะครัง้ 8. เร่มิ ต้น มนี ิวเคลียสกัมมนั ตรงั สี X และ Y อย่างละ 1 ลา้ นนวิ เคลยี ส เม่อื เวลาผ่านไป 1 ช่วั โมง นิวเคลียส X เหลืออยู่จำ�นวน 550 000 นิวเคลียส ส่วนนิวเคลียส Y เหลืออยู่ 500 000 นวิ เคลียส นวิ เคลียสใดมีคา่ คงตวั การสลายมากกวา่ กนั อธิบาย แนวคำ�ตอบ เม่ือเวลาผา่ นไปเทา่ กนั นวิ เคลยี ส Y มกี ารสลายไปมากกวา่ นิวเคลียส X ดงั นนั้ ความน่าจะเป็นที่นิวเคลียส Y จะสลายในหนึ่งหน่วยเวลา จึงมากกว่าของนิวเคลียส X คา่ คงตวั การสลายของนิวเคลียส Y จงึ มากกวา่ ของนวิ เคลียส X สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 บทที่ 20 | ฟสิ ิกสน์ ิวเคลียรแ์ ละฟสิ กิ ส์อนภุ าค 163 9. ไอโซโทปกัมมันตรังสี W มีคร่ึงชีวิตน้อยกว่า ครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสี Z แสดงว่า ไอโซโทปชนิดใดสลายได้เรว็ กว่ากัน อธิบาย แนวค�ำ ตอบ ครึ่งชีวิตคือ เวลาท่ีไอโซโทปกัมมันตรังสีสลายจนเหลือปริมาณครึ่งหนึ่งของ ปริมาณเร่ิมต้น ดังนั้น ถ้าไอโซโทป W มีคร่ึงชีวิตน้อยกว่าไอโซโทป Z แสดงว่า ไอโซโทป W ใชเ้ วลาสน้ั กวา่ ไอโซโทป Z ในการสลายจนเหลอื ครงึ่ หนงึ่ ของปรมิ าณเรมิ่ ตน้ ดงั นน้ั ไอโซโทป W เป็นไอโซโทปทส่ี ลายไดเ้ ร็วกว่าไอโซโทป Z เฉลยแบบฝกึ หดั 20.2 1. จงเขียนเลขอะตอมและเลขมวลในสมการการสลายต่อไปนี้ ก. 218 Po A X 4 He 84 Z 2 ข. U239 AZY 01e e 92 ค. 234 Pa* AZW 91 วธิ ที �ำ ก. ในสมการการสลาย ผลรวมของเลขอะตอมและผลรวมของเลขมวลกอ่ นและหลงั การ สลายมคี ่าเทา่ กนั ดงั นนั้ หาเลขอะตอมและเลขมวลของแตล่ ะขอ้ ไดด้ งั น้ี พิจารณาเลขอะตอม จะได้วา่ 84 = Z – 2 ดงั นนั้ Z = 84 – 2 = 82 พจิ ารณาเลขมวล จะได้ว่า 218 = A + 4 ดังน้นั A = 218 – 4 = 214 เขยี นเลขอะตอมและเลขมวลในสมการการสลายได้ดังนี้ 28148 Po X214 4 He 2 82 ข. พ293ิจ29 Uารณาเลข2อ3993ะYตอม 01e e จ239ะ41ไPดa้ว่า* 23 941W92 = Z – 1 ดงั นัน้ Z = 92 + 1 = 93 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

164 บทท่ี 20 | ฟสิ ิกสน์ วิ เคลยี ร์และฟิสกิ ส์อนภุ าค ฟิสิกส์ เล่ม 6 พจิ ารณาเลขมวล จะไดว้ า่ 239 = A + 0 ดังนน้ั A = 239 เ2ข8148ียPนoเลขอะต281อ24มXและเล24ขHมeวลในสมการการสลายได้ดงั น้ี 29329 U Y239 01e e 93 ค. พ239จิ 41าPรaณ* าเลขอ2ะ394ต1Wอม จะไดว้ า่ 91 = Z + 0 ดงั นั้น Z = 91 พิจารณาเลขมวล จะได้วา่ 234 = A + 0 ด281ัง48นPนั้ o 28124 X A =24 H2e34 เ2ข9329ยี Uนเลขอะ2ต39อ93Yมและเ01ลeขมวลใeนสมการการสลายไดด้ งั นี้ 234 Pa* W234 91 91 ตอบ ก. 218 Po X214 4 He 84 2 82 ข. 239 U 01e e 92 Y239 93 ค. 234 Pa* W234 91 91 2. จากสมการการสลายต่อไปน้ี ใหร้ ะบวุ ่า X เป็นธาตุใด และ มี A กับ Z เท่าใด ก. A X 210 Bi 0 e e Z 83 -1 ข. 220 Rn A X 4 He 86 Z 2 วธิ ที �ำ ก. ในสมการการสลาย ผลรวมของเลขอะตอมและผลรวมของเลขมวลกอ่ นและหลงั การ สลายมีคา่ เท่ากัน ดงั นน้ั หา A และ Z ของแตล่ ะขอ้ ได้ดังนี้ A = 210 + 0 = 210 Z = 83 – 1 = 82 X มเี ลขอะตอมเทา่ กับ 82 จากตารางธาตุ แสดงว่า X คือ ตะกวั่ (Pb) ข. หา A และ Z ของแตล่ ะข้อได้ดังนี้ พิจารณาเลขมวล จะได้ว่า 220 = A + 4 ดังน้นั A = 220 – 4 = 216 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 บทที่ 20 | ฟสิ ิกส์นวิ เคลยี ร์และฟิสกิ ส์อนุภาค 165 พิจารณาเลขอะตอม จะได้ว่า 86 = Z + 2 ดงั นัน้ Z = 86 – 2 = 84 X มเี ลขอะตอมเทา่ กบั 84 จากตารางธาตุ แสดงว่า X คอื พอโลเนยี ม (Po) ตอบ ก. X คอื ตะก่ัว โดย A เทา่ กับ 210 และ Z เทา่ กับ 82 ข. X คอื พอโลเนียม โดย A เท่ากบั 216 และ Z เทา่ กบั 84 3. นิวเคลียสของทอเรียม-232 (23900Th) สลายให้แอลฟาแล้วเป็นนิวเคลียสของไอโซโทป X ซ่ึงมี การสลายตอ่ ใหบ้ ตี าแลว้ เปน็ นวิ เคลยี สของไอโซโทป Y จงเขยี นสมการการสลายทร่ี ะบเุ ลขอะตอม และเลขมวล วิธีท�ำ หา A และ Z ของ X ไดด้ ังนี้ A = 232 – 4 = 228 Z = 90 – 2 = 88 หา A และ Z ของ Y ไดด้ ังนี้ A = 228 – 0 = 228 Z = 88 + 1 = 89 ตอบ ดงั นน้ั สมการการสลายคือ 23920Th X228 + 4 He 88 2 X228 Y228 + 01e 88 89 4. ตะกัว่ -214 (214 Pb) จ�ำ นวน 8.44 × 1010 อะตอม มีกมั มนั ตภาพ 1 มลิ ลิครู ี จงหา 82 ค่าคงตัวการสลาย วิธีทำ� จ�ำ นวนอะตอมของตะกัว่ -214 (N) เท่ากบั 8.44 × 1010 อะตอม กัมมนั ตภาพ (A) 1 คูรี เท่ากับ 3.7 × 1010 เบ็กเคอเรล หรือ ต่อวินาที ดงั น้ัน กัมมันตภาพ 1 มลิ ลคิ ูรี เท่ากบั 3.7 × 1010 เบ็กเคอเรล แทนคา่ N และ A ลงในสมการ A = λ N จะได้ 3.7 × 1010 Bq = λ (8.44 × 1010) 3.7 107 s 1 8.44 1010 = 4.38 × 10-4 s-1 ตอบ คา่ คงตวั การสลายของตะกั่ว-214 เท่ากับ 4.38 × 10-4 ต่อวนิ าที สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

166 บทที่ 20 | ฟสิ ิกส์นวิ เคลียร์และฟิสิกส์อนภุ าค ฟิสิกส์ เลม่ 6 5. ฟอสฟอรสั -32 (32 P) มคี รึ่งชีวติ 14 วนั จะใช้เวลานานเท่าใด จงึ จะเหลือฟอสฟอรสั -32 รอ้ ยละ 15 25 ของจ�ำ นวนเดิม วธิ ีทำ� ln 2 วธิ ีท่ี 1 หาคา่ คงตวั การสลายจากสมการ T1 ln 2 ซึง่ จัดรปู ใหมไ่ ด้เปน็ T1 แทนค่า T1 14 day จะได้ 2 ln 2 14 day 2 2 ให้ N0 เปน็ จ�ำ นวนนวิ เคลยี สเรม่ิ ต้นของฟอสฟอรสั -32 N เป็นจำ�นวนนิวเคลยี สของฟอสฟอรสั -32 เมอ่ื เวลาผ่านไป t จากสมการ N = N0 e-λt ถา้ ทีเ่ วลา t ฟอสฟอรสั -32 ลดลงเหลือร้อยละ 25 ของ 25 จำ�นวนเดมิ หรือ N 100 N0 จะได้ 25 N0 ( ln 2 )t 100 N0e 14 day ( ln 2 )t e 14 day 4 ln 2 t 2 ln 2 14 day t = 28 day วธิ ีที่ 2 ให้ N0 เปน็ จ�ำ นวนนิวเคลยี สเรม่ิ ตน้ ของฟอสฟอรสั -32 N เป็นจำ�นวนนวิ เคลยี สของฟอสฟอรัส-32 เมอื่ เวลาผ่านไป t การสลายของฟอสฟอรสั -32 จนเหลือ ร้อยละ 25 ของปรมิ าณเดิม จะได ้ N 25 N0 100 N N0 22 เนื่องจากจ�ำ นวนนวิ เคลียสท่ีเหลือเปน็ สัดสว่ น 22 ของจ�ำ นวนนิวเคลียสเร่มิ ต้น ดังนั้น เวลาที่ผา่ นไปจึงตอ้ งเปน็ จำ�นวนเต็ม 2 เทา่ ของครึง่ ชวี ิต น่นั คอื t 2T1 2 = 2(14 day) = 28 day ตอบ ใช้เวลานาน 28 วนั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟิสกิ สน์ ิวเคลียรแ์ ละฟิสกิ สอ์ นุภาค 167 6. ธาตกุ มั มนั ตรงั สชี นดิ หนงึ่ มคี รงึ่ ชวี ติ 10 นาที มจี �ำ นวนนวิ เคลยี สเรมิ่ ตน้ เทา่ กบั 8 × 1020 นวิ เคลยี ส จงหาว่า ก. เมื่อเวลาผา่ นไป 10 นาที มีนิวเคลยี สของธาตุกมั มันตรงั สสี ลายไปกีน่ วิ เคลียส ข. เมื่อเวลาผ่านไป 30 นาที มนี วิ เคลยี สของธาตกุ ัมมันตรงั สีเหลือเทา่ ใด วิธที �ำ ก. เมอ่ื เวลาผา่ นไป 10 นาที ซึ่งเทา่ กับคร่ึงชีวิต ธาตุกมั มันตรงั สจี ะสลายไปครึง่ หน่ึงของ จำ�นวนเรมิ่ ต้น ดังน้นั จะมจี ำ�นวนนวิ เคลยี สท่สี ลายไปเทา่ กบั 1 8 × 1020 = 4.0 × 1020 2 ข. เม่ือเวลาผ่านไป 30 นาที ซง่ึ เทา่ กบั 3 เท่าของครงึ่ ชีวติ ธาตกุ มั มนั ตรังสีจะสลายไป 1 จนเหลือจำ�นวน 23 เท่าของจำ�นวนเร่ิมต้น ดังนั้น จะมีจำ�นวนนิวเคลียสท่ีเหลืออยู่ เท่ากับ 1 8 × 1020 = 1.0 × 1020 23 ตอบ ก. เมอื่ เวลาผา่ นไป 10 นาที มนี วิ เคลยี สของธาตกุ มั มนั ตรงั สสี ลายไป 4 × 1020 นวิ เคลยี ส ข. เมอื่ เวลาผา่ นไป 30 นาที มนี วิ เคลยี สของธาตกุ มั มนั ตรงั สเี หลอื อยู่ 1 × 1020 นวิ เคลยี ส 7. ไอโอดนี -131 (131 I) มจี �ำ นวนนิวเคลียส 3.69 × 1010 นวิ เคลียส และมีกมั มันตภาพ 1 ไมโครคูรี 53 จงหาคร่ึงชวี ิตของไอโอดีน -131 วธิ ีทำ� ให ้ A0 เปน็ กัมมันตภาพเริ่มต้นของไอโอดนี -131 N0 เปน็ จ�ำ นวนนิวเคลียสเร่มิ ต้นของไอโอดนี -131 λ เปน็ คา่ คงตวั การสลายของไอโอดนี -131 0.693 T1/ 2 หาคร่ึงชวี ติ ของไอโอดนี -131 ไดจ้ ากสมการ A0 = λ N0 และ จาก A0 = λ N0 A0 0.693 N0 T1/ 2 จะได ้ T1/ 2 0.693N0 แทนคา่ T1/ 2 A0 (0.693)(3.69 1010 nucleus) (1 10 6 Ci) 3.7 1010 Bq 1 Ci = 6.911 × 105 s ตอบ ครึง่ ชีวิตของไอโอดนี -131 เท่ากบั 6.91 × 105 วินาที (หรอื 8 วัน) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

168 บทที่ 20 | ฟสิ กิ ส์นิวเคลียรแ์ ละฟิสิกสอ์ นภุ าค ฟสิ กิ ส์ เล่ม 6 8. พอโลเนียม-210 (21804 Po) มีครึ่งชีวิต 140 วัน เร่ิมต้นมีจำ�นวน 20.0 กรัม เม่ือเวลาผ่านไป 120 วัน จะเหลือพอโลเนียม -210 อยกู่ ี่กรมั ก�ำ หนด e-0.594 เท่ากบั 0.552 วธิ ที �ำ ถ้า m0 เปน็ มวลเร่ิมต้นของโพโลเนยี ม-210 และ m เปน็ มวลของโพโลเนยี ม-2100.693 T1/ 2 ท่ีเวลา t ใดๆ หามวลของโพโลเนยี มที่เหลือจากสมการ m = m0 e-λt และ จาก m = m0 e-λt (1) 0.693 หา λt จากสมการ T1/ 2 0.693 t t T1/ 2 0.693 (120 day) 140 day = 0.594 (2) แทนคา่ λt จากสมการ (2) ในสมการ (1) จะได้ m = m0 e-λt = (20.00 g)(0.552) = 11.04 g ตอบ พอโลเนยี ม -210 เหลืออยเู่ ท่ากบั 11.0 กรมั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เลม่ 6 บทที่ 20 | ฟสิ ิกสน์ วิ เคลียร์และฟสิ กิ ส์อนภุ าค 169 20.3 ปฏิกิริยานวิ เคลียร์และพลงั งานนิวเคลียร์ จดุ ประสงคก์ ารเรยี นรู้ 1. บอกความหมายของปฏิกิรยิ านวิ เคลียร์ 2. อธิบายฟชิ ชันและความสัมพันธ์ระหวา่ งมวลกับพลงั งานท่ีปลดปล่อยออกมาจากฟิชชัน 3. ค�ำ นวณพลงั งานนิวเคลียร์ทปี่ ลดปล่อยออกจากฟิชชนั 4. อธิบายฟิวชันและความสมั พนั ธร์ ะหว่างมวลกับพลังงานทป่ี ลดปลอ่ ยออกมาจากฟวิ ชนั 5. คำ�นวณพลังงานนิวเคลยี ร์ท่ีปลดปลอ่ ยออกจากฟวิ ชัน 6. บอกแนวทางการนำ�พลงั งานนิวเคลียรไ์ ปใชป้ ระโยชน์ ส่งิ ที่ครูตอ้ งเตรียมลว่ งหนา้ 1. เตรียมคลิปวิดีทัศน์หรือภาพของข่าวเกี่ยวกับการใช้ประโยชน์จากพลังงานนิวเคลียร์ โดยอาจใช้คลิป วิดที ศั น์ ดังน้ี - คลปิ โรงไฟฟ้านวิ เคลยี ร์ เช่น คลิปท่ลี งิ ค์ https://youtu.be/MDcJTDUi9DE หรือ https://youtu.be/_AdA5d_8Hm0 - คลิปเรอื ขนาดใหญท่ ขี่ ับเคลื่อนด้วยพลังงานนวิ เคลยี ร์ เช่น คลิปทลี่ ิงค์ https://youtu.be/6G9B1fyqV4g 2. ถ้ามีการจัดกิจกรรมโต้วาที เกี่ยวกับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในประเทศไทย ให้เตรียมแหล่งสืบค้นข้อมูลให้ พร้อม และอาจติดต่อครสู อนวิชาภาษาไทย ในการรว่ มจดั กิจกรรมและประเมินการโต้วาที 3. ถ้ามีการทำ�กิจกรรมเสนอแนะสำ�หรับครู แบบจำ�ลองฟิชชันและฟิวชัน ให้เตรียมวัสดุอุปกรณ์ให้พร้อม ได้แก่ - ลูกปัดสี หรอื ลกู แก้ว ที่มีสีแตกตา่ งกันอย่างน้อย 2 ส ี 30 อัน - ไหมพรมสแี ตกต่างกนั อยา่ งน้อย 2 ส ี 1 มว้ น - กาว 1 หลอด - กระดาษเทาขาวแผน่ ใหญ ่ 1 แผ่น - สเี มจิก 1 ชุด - กระดาษโน้ตสี 1 ชุด แนวการจัดการเรียนรู้ ครนู �ำ เขา้ สหู่ วั ขอ้ 20.3 โดยใหน้ กั เรยี นชมคลปิ วดิ ที ศั นห์ รอื รปู เกย่ี วกบั การใชป้ ระโยชนจ์ ากพลงั งาน นวิ เคลยี ร์ เชน่ โรงไฟฟา้ นวิ เคลยี ร์ หรอื เรอื ขนาดใหญท่ ขี่ บั เคลอ่ื นดว้ ยพลงั งานนวิ เคลยี ร์ จากนน้ั ตงั้ ค�ำ ถาม ให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันว่า พลังงานนิวเคลียร์ที่นำ�มาใช้ประโยชน์น้ีเก่ียวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของ อะไร อย่างไร โดยเปิดโอกาสให้นักเรยี นตอบค�ำ ถามอยา่ งอสิ ระ ไมค่ าดหวงั ค�ำ ตอบที่ถกู ต้อง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

170 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ สน์ วิ เคลยี รแ์ ละฟสิ กิ สอ์ นุภาค ฟสิ กิ ส์ เล่ม 6 ครูนำ�อภิปรายจนสรุปได้ว่า พลังงานนิวเคลียร์เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียส จากน้ัน ครู ทบทวนเกยี่ วกบั การเปลย่ี นแปลงของนวิ เคลยี สในหวั ขอ้ ทผี่ า่ นมา ซง่ึ เปน็ การสลายทนี่ วิ เคลยี สมกี ารเปลย่ี น แปลงองคป์ ระกอบตามธรรมชาติ ไมข่ น้ึ กบั ปจั จยั ภายนอก เชน่ ความดนั อณุ หภมู ิ หรอื การกระท�ำ ของมนษุ ย์ จากนน้ั ครตู ง้ั ค�ำ ถามวา่ ถา้ นวิ เคลยี สไดร้ บั การกระตนุ้ จากการกระท�ำ ของมนษุ ย์ นวิ เคลยี สจะเกดิ การเปลยี่ น แปลงได้หรือไม่ อยา่ งไร โดยเปดิ โอกาสใหน้ ักเรียนตอบค�ำ ถามอย่างอิสระ ไมค่ าดหวงั ค�ำ ตอบที่ถกู ต้อง ครูให้นักเรียนศึกษา การทดลองปล่อยอนุภาคแอลฟาไปชนกับนิวเคลียสของไนโตรเจน-14 ของรัทเทอร์ฟอร์ด และผลการวิเคราะหข์ องแบล็กเกต ตามรูป 20. 21 ในหนงั สือเรียนรวมทั้ง ความหมาย ของปฏิกิริยานวิ เคลยี ร์ ในหนงั สือเรยี น จากนัน้ ครูและนักเรียนร่วมกันอภปิ รายสง่ิ ทไ่ี ด้จากการศกึ ษา ครแู ละนกั เรยี นอภปิ รายรว่ มกนั เกยี่ วกบั การเปลยี่ นนวิ เคลยี สของธาตหุ นง่ึ เปน็ นวิ เคลยี สของธาตอุ น่ื เช่นทองคำ� นำ�ไปสู่การค้นพบธาตุใหม่ ๆ ท่ีไม่มีในธรรมชาติ รวมทั้งการค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์ท่ีให้ พลงั งานออกมา ตามรายละเอียดในหนังสอื เรยี น จากนั้น น�ำ นักเรียนเขา้ สู่หัวขอ้ 20.3.1 ฟิชชัน 20.3.1 ฟิชชนั ความเขา้ ใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึน้ ความเข้าใจคลาดเคลือ่ น แนวคดิ ทถี่ ูกตอ้ ง 1. นิวตรอนที่ใช้กระตุ้นทำ�ให้เกิดฟิชชันเป็น 1. นิวตรอนท่ีทำ�ให้เกิดฟิชชัน มีพลังงานตำ่� นิวตรอนมีพลังงานสูง เรียกว่า slow neutron หรือ thermal neutron 2. ฟชิ ชนั เกดิ จากนวิ ตรอนเคลอื่ นทดี่ ว้ ยความ 2. ฟชิ ชนั เกดิ ข้ึนเมือ่ นิวตรอนทมี่ พี ลังงานต�ำ่ เร็วสูงไปชนกับนิวเคลียส ทำ�ให้นิวเคลียส เคลอื่ นทไ่ี ปพบกบั นวิ เคลยี ส ท�ำ ใหน้ วิ เคลยี ส แตกออก เหมอื นกระสนุ ปนื ถกู ยงิ ไปทวี่ ตั ถุ ดดู ซบั นวิ ตรอนไว้ กลายเปน็ นวิ เคลยี ส ทไ่ี ม่ ทรงกลม แล้วท�ำ ให้วตั ถนุ ัน้ แตกออก เสถยี ร จงึ เกดิ การแยกออกจากกนั 3. ปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดข้ึนได้เม่ือมีนิวตรอน 3. ปฏกิ ริ ยิ าลกู โซ่ เกดิ ขนึ้ ได้ เมอ่ื นวิ ตรอนจาก พลังงานสูงจากฟิชชันคร้ังแรก พุ่งชนกับ ฟชิ ชนั ครงั้ แรกถกู หนว่ งใหม้ คี วามเรว็ ลดลง นิวเคลยี สอนื่ ๆ ของธาตหุ นกั ทอ่ี ยรู่ อบ ๆ เป็นนิวตรอนพลังงานต่ำ� แล้วเคล่ือนที่ไป พบกับนิวเคลียสอื่น ๆ ของธาตุหนักท่ี อยรู่ อบ ๆ ท�ำ ใหเ้ กดิ ฟิชชนั ครงั้ ต่อ ๆ ไป สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟสิ ิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค 171 แนวการจัดการเรียนรู้ ครูช้ีแจงจุดประสงค์การเรียนรูข้ ้อ 12 - 14 ของหวั ขอ้ 20.3 ตามหนังสอื เรียน ครูนำ�เข้าสู่หัวข้อ 20.3.1 โดยให้นักเรียนศึกษาการทดลองของแฟร์มีที่ปล่อยนิวตรอนไปพบกับ นวิ เคลยี สของธาตตุ า่ ง ๆ การวเิ คราะหห์ าชนดิ ของธาตขุ องฮาหน์ กบั สตราสมนั น์ และ การอธบิ ายกระบวนการ ที่เกิดข้ึนโดยไมท์เนอร์และฟริช ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จากน้ัน ให้ครูนำ�อภิปรายสรุปเก่ียวกับ ฟชิ ชัน โดยครคู วรเนน้ ดงั นี้ ∙∙ การคน้ พบฟชิ ชนั เกดิ จากความพยายามของนกั วิทยาศาสตร์ท่ีพยายามจะผลติ ธาตุใหม่ การท่ีนักวิทยาศาสตร์ใช้นิวตรอนเป็นอนุภาคท่ีปล่อยไปพบกับนิวเคลียสของยูเรเนียม เพราะ นวิ ตรอนไมม่ ปี ระจไุ ฟฟา้ สามารถเคลอื่ นทเี่ ขา้ ไปพบนวิ เคลยี สของยเู รเนยี มทม่ี ปี ระจบุ วกไดง้ า่ ย กว่าอนภุ าคทมี่ ปี ระจไุ ฟฟ้า ∙ การเกดิ ฟชิ ชัน เกิดข้นึ กบั นิวเคลียสของธาตหุ นักและทำ�ให้ไดน้ วิ เคลยี สใหม่ทแ่ี ตกตา่ งกัน ครอู าจต้ังคำ�ถามใหม้ ีการอภปิ รายเพ่ิมเติม เชน่ ก. ฟชิ ชนั เกดิ ข้ึนไดก้ ับนวิ เคลยี สของธาตแุ บบใด แนวค�ำ ตอบ ธาตุหนกั (หรือ ธาตทุ ่ีมีเลขมวลมากกว่า 150) ข. ปฏกิ ริ ิยานิวเคลียร์ตอ่ ไปน้ี เป็นฟิชชันหรือไม่ 1) 2 H 11H 01n 1 2) 14 N 4 He 17 O 11H 7 2 8 3) 238 U 01n 239 U 92 92 แนวค�ำ ตอบ ปฏกิ ิริยานวิ เคลียร์ทงั้ 1) 2) และ 3) น้ีไมจ่ ดั เปน็ ฟิชชัน เนอ่ื งจากปฏกิ ิริยา 1) และ 2) มแี ตธ่ าตเุ บา ไมม่ ธี าตหุ นกั เกยี่ วขอ้ ง สว่ นปฏกิ ริ ยิ า 3) ถงึ แมจ้ ะมธี าตหุ นกั เกย่ี วขอ้ ง แตน่ วิ เคลยี ส ของธาตุตัง้ ตน้ ไม่ไดแ้ ยกออกเป็นนวิ เคลยี สใหม่ 2 นิวเคลียสท่มี ีมวลใกล้เคียงกนั ค. ผลผลติ ท่ีได้จากฟิชชนั ของยูเรเนียม-235 มอี ะไรบา้ ง และเหมือนกันทุกคร้งั หรอื ไม่ แนวค�ำ ตอบ ผลผลติ ทไี่ ดจ้ ากฟชิ ชนั ไดแ้ ก่ พลงั งาน นวิ ตรอนไมเ่ กนิ 3 นวิ ตรอน และนวิ เคลยี ส ใหม่ 2 นวิ เคลยี ส ทมี่ เี ลขอะตอมและเลขมวลนอ้ ยกวา่ นวิ เคลยี สตง้ั ตน้ โดยผลรวมของเลขอะตอม ของนวิ เคลยี สใหมท่ ง้ั สองจะเทา่ กบั เลขอะตอมของนวิ เคลยี สตง้ั ตน้ ทงั้ นี้ ชนดิ ของสองนวิ เคลยี ส ใหม่ท่ีไดจ้ ากฟิชชันแต่ละคร้งั อาจแตกตา่ งกนั ไดห้ ลายแบบ ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเกี่ยวกับตัวอย่างการเกิดฟิชชันของยูเรเนียม-235 ตามรูป 20.22 ในหนงั สอื เรยี น และสมการแทนการเกดิ ฟชิ ชนั รวมทงั้ พลงั งานนวิ เคลยี ร์ และ ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งพลงั งาน นวิ เคลยี รก์ บั มวลทล่ี ดลงหลงั การเกดิ ฟชิ ชนั จนสรปุ ไดส้ มการ (20.11) ทงั้ น้ี ครคู วรเนน้ วา่ ในการเขยี นสมการ แสดงปฏิกิรยิ านวิ เคลยี ร์ ผลรวมของเลขมวลและผลรวมของเลขอะตอมกอ่ นและหลังปฏกิ ริ ยิ ามคี า่ เท่ากนั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

172 บทท่ี 20 | ฟิสิกส์นวิ เคลียร์และฟิสกิ ส์อนุภาค ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 ครอู าจใหค้ วามรเู้ พม่ิ เตมิ วา่ สว่ นของมวลทลี่ ดลงหลงั การเกดิ ฟชิ ชนั นี้ สามารถเรยี กวา่ สว่ นพรอ่ งมวล (mass defect) ไดเ้ ชน่ เดยี วกบั กรณหี วั ขอ้ พลงั งานยดึ เหนยี่ ว นอกจากน้ี พลงั งานสว่ นใหญท่ ป่ี ลดปลอ่ ยออก มาจากฟิชชนั (ประมาณ 84%) เปน็ พลังงานจลน์ของนวิ เคลียส 2 นวิ เคลยี สทแี่ ยกออกมา ส่วนทีเ่ หลอื จะ เปน็ พลังงานจลน์ของนวิ ตรอน พลังงานของรงั สแี กมมาและอนภุ าคอื่น ๆ ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 20.10 โดยมีครูแนะนำ� จากนั้นครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกัน เกย่ี วกบั การเปรยี บเทยี บพลงั งานนวิ เคลยี รท์ ไ่ี ดจ้ ากฟชิ ชนั ของนวิ เคลยี สยเู รเนยี ม 1 นวิ เคลยี ส กบั พลงั งาน ที่ได้จากปฏิกิริยาเคมีของการเผาไหม้คาร์บอน 1 อะตอม ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จากน้ัน ครูนำ� อภิปราย โดยใช้รูป 20.23 – 20.24 หรือสื่ออ่ืนที่ครูจัดหามา เพื่อศึกษาเก่ียวกับปฏิกิริยาลูกโซ่ เคร่ือง ปฏกิ รณ์นวิ เคลียร์ และ การผลิตไฟฟ้าของโรงไฟฟา้ นิวเคลยี ร์ โดยอาจใช้ค�ำ ถามต่อไปน้ี ก. ถา้ ในเคร่ืองปฏิกรณน์ วิ เคลยี ร์ ไมม่ ตี วั หน่วงความเรว็ นิวตรอน จะเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าลูกโซ่ไดห้ รอื ไม่ แนวคำ�ตอบ ไม่ได้ เพราะตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน ช่วยให้นิวตรอนท่ีถูกปล่อยออกมาจาก ฟิชชนั มีความเร็วลดลง เหมาะสมกับการทำ�ใหเ้ กิดฟชิ ชนั ในคร้งั ตอ่ ๆ ไป ข. ถา้ การเกดิ ฟชิ ชนั ของนวิ เคลยี สชนดิ หนง่ึ มกี ารปลอ่ ยนวิ ตรอนออกมาเพยี งอนภุ าคเดยี วในแตล่ ะ ครง้ั เราสามารถนำ�นวิ เคลยี สชนิดนไี้ ปสร้างปฏิกิริยาลูกโซอ่ ยา่ งทวคี ณู ได้หรือไม่ แนวค�ำ ตอบ ไม่ได้ เพราะการเกิดฟิชชันแต่ละครั้ง จะได้นิวตรอนเพียงอนุภาคเดียว ที่ทำ�ให้ เกดิ ฟชิ ชนั อีกคร้ัง และเป็นเช่นน้ี ตอ่ เนือ่ งกันไป จึงเปน็ ฟิชชันแบบตอ่ เน่ือง แตไ่ ม่ทวีคูณ ค. แท่งควบคมุ ชว่ ยในการควบคุมปฏิกริ ิยาลูกโซ่อย่างไร แนวคำ�ตอบ แทง่ ควบคมุ ดดู ซบั นวิ ตรอนทปี่ ลอ่ ยออกมาจากฟชิ ชนั ท�ำ ใหอ้ ตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า ลูกโซล่ ดลง ง. ไอน้�ำ หรอื นำ้�ทป่ี ล่อยออกมาจากสว่ นระบายความรอ้ นของโรงไฟฟา้ นวิ เคลยี ร์ มีอนั ตรายหรือไม่ อยา่ งไร แนวค�ำ ตอบ ไอน�ำ้ หรอื น�ำ้ ทป่ี ลอ่ ยออกมาจากสว่ นระบายความรอ้ น อยใู่ นระบบทอ่ สง่ น�ำ้ ทแี่ ยก ออกจากระบบท่อส่งนำ้�ในส่วนผลิตไฟฟ้าและส่วนแลกเปล่ียนความร้อน ดังนั้น ไอน้ำ�หรือน้ำ�ที่ ปล่อยออกมาจงึ ไม่อนั ตราย ข้อแนะน�ำ เพิ่มเตมิ สำ�หรับครู ครอู าจจัดกิจกรรมโตว้ าทีในหัวข้อทีเ่ กี่ยวกับการสรา้ งโรงไฟฟา้ นิวเคลยี รใ์ นประเทศไทย เช่น หัวขอ้ จะเป็นผลดีถ้าไทยมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์กับการแก้ปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพ ภูมิอากาศ โดยในการโต้วาที ครสู ามารถประเมนิ ทักษะอน่ื ๆ ทส่ี ำ�คัญ เชน่ ทกั ษะการสื่อสาร สารสนเทศ และการรู้เทา่ ทันส่ือ ทกั ษะการคดิ อย่างมีวจิ ารญาณและการแก้ปญั หา ทักษะดา้ นความร่วมมือ การทำ�งาน เปน็ ทีมและภาวะผู้น�ำ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เลม่ 6 บทที่ 20 | ฟสิ ิกสน์ วิ เคลียรแ์ ละฟสิ ิกสอ์ นุภาค 173 ทั้งนี้ ครูอาจพิจารณาบูรณาการกิจกรรมน้ีกับวิชาภาษาไทย โดยอาจเชิญครูภาษาไทยมาเป็น กรรมการท่ีปรึกษา เช่น การปรึกษาในการตั้งหัวข้อ กำ�หนดกติกา ควบคุมการโต้วาที และให้ข้อคิดเห็น กับข้อเสนอแนะ หลงั การโตว้ าที ครนู �ำ อภปิ รายและสรปุ ซง่ึ มตี วั อยา่ งผลการสรปุ การโตว้ าทกี ารสรา้ งโรงไฟฟา้ นวิ เคลยี ร์ ในประเทศไทย ดังน้ี ข้อดี (ฝ่ายเสนอ) - สามารถชว่ ยแก้ปัญหาด้านพลงั งานได ้ เพราะไมใ่ ช้เชื้อเพลงิ ซากดกึ ดำ�บรรพ์ - ช่วยลดปริมาณแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้ เพราะ โรงไฟฟา้ นวิ เคลยี ร์ ไมม่ ีการปลอ่ ยแกส๊ คาร์บอนไดออกไซด์ - มีตน้ ทนุ ของการผลิตตำ�่ เม่อื คิดในระยะยาว - สรา้ งความม่นั คงด้านพลังงาน เพราะโรงไฟฟา้ นิวเคลยี รส์ ามารถผลติ ไฟฟ้าไดอ้ ย่างต่อเนื่อง ข้อจ�ำ กัด (ฝ่ายค้าน) - ท�ำ ให้เกดิ กากกมั มันตรังสี ท่อี าจมปี ัญหาเร่ืองการจดั การเรอ่ื งการเกบ็ - ถา้ เกดิ อุบัตเิ หตุขึ้น อาจทำ�ใหเ้ กดิ ความเสยี หายทีร่ ุนแรงและยาวนาน - ต้องใชเ้ งินลงทนุ สงู ในชว่ งเรม่ิ ตน้ ความรู้เพ่มิ เตมิ สำ�หรับครู ประเภทของโรงไฟฟา้ นิวเคลยี ร์ (เรยี บเรียงจาก โรงไฟฟา้ นวิ เคลียร์ สมาคมนิวเคลยี ร์แหง่ ประเทศไทย โดย ดร.สมพร จองค�ำ และ คุณอารรี ตั น์ คอนดวงแกว้ ) โรงไฟฟา้ นวิ เคลยี รใ์ นปัจจุบนั แบ่งเปน็ 3 ประเภทดังนี้ 1. โรงไฟฟา้ นวิ เคลยี ร์แบบน�ำ้ ความดนั สงู เครือ่ งปฏิกรณน� ิวเคลยี ร� ไอน้ำ เครื่องกำเนิดไฟฟา� แทง� ควบคุม เครือ่ งสบู นำ้ แทง� เชอ้ื เพลงิ กังหนั เคร่ืองควบแน�น เครือ่ งสูบนำ้ น้ำเยน็ รปู โรงไฟฟ้านิวเคลยี รแ์ บบนำ�้ ความดนั สูง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

174 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ สน์ วิ เคลียร์และฟิสกิ ส์อนุภาค ฟสิ กิ ส์ เล่ม 6 โรงไฟฟ้านวิ เคลียรแ์ บบน�ำ้ ความดนั สูง (Pressurized Water Reactor : PWR) โรงไฟฟา้ ชนิดน้จี ะถา่ ยโอนความรอ้ นจากแท่งเชอ้ื เพลงิ ใหน้ ้�ำ จนมีอุณหภูมสิ งู ประมาณ 320 องศาเซลเซยี ส ภายในถังขนาดใหญจ่ ะอดั ความดันสูงประมาณ 15 เมกะพาสคลั (MPa) หรอื ประมาณ 150 เท่าของ ความดันบรรยากาศไว้ เพอื่ ไม่ใหน้ ำ้�เดือดกลายเป็นไอ และน�ำ นำ�้ ส่วนนี้ไปถา่ ยโอนความร้อนใหแ้ ก่ น้�ำ หลอ่ เยน็ อีกระบบหนง่ึ เพือ่ ให้เกดิ การเดอื ดและกลายเปน็ ไอน้ำ�ออกมา เป็นการป้องกนั ไมใ่ หน้ ้ำ� ในถังปฏกิ รณ์ ซ่งึ มสี ารรงั สเี จือปนอยแู่ พร่กระจายไปยังอปุ กรณ์สว่ นอนื่ ๆ ตลอดจนปอ้ งกันการรัว่ ของสารกัมมันตรงั สสี สู่ ิ่งแวดล้อม 2. โรงไฟฟา้ นวิ เคลียรแ์ บบนำ�้ เดอื ด เครื่องปฏกิ รณน� วิ เคลยี ร� ไอนำ้ เครอื่ งกำเนดิ ไฟฟ�า แท�งเชือ้ เพลิง เคร่อื งสบู น้ำ แทง� ควบคุม กงั หัน เครอ่ื งควบแนน� เครอ่ื งสบู น้ำ นำ้ เย็น รูป โรงไฟฟ้านวิ เคลียร์แบบนำ้�เดือด โรงไฟฟา้ นวิ เคลียรแ์ บบนำ�้ เดือด (Boiling Water Reactor : BWR) สามารถผลิตไอนำ�้ ได้ โดยตรงจากการต้มนำ้�ภายในถังซึ่งควบคุมความดันภายใน (ประมาณ 7 MPa) ตำ่�กว่าโรงไฟฟ้า นวิ เคลยี รแ์ บบแรก (PWR) ดงั นนั้ ความจ�ำ เปน็ ในการใชเ้ ครอ่ื งผลติ ไอน�ำ้ และแลกเปลยี่ นความรอ้ น ปม๊ั และอปุ กรณช์ ว่ ยอน่ื ๆ กล็ ดลง แตจ่ �ำ เปน็ ตอ้ งมกี ารกอ่ สรา้ งอาคารปอ้ งกนั รงั สไี วใ้ นระบบอปุ กรณ์ สว่ นตา่ ง ๆ ของโรงไฟฟา้ เนอื่ งจากไอน�ำ้ จากถงั ปฏกิ รณ์ จะถกู สง่ ผา่ นไปยงั อปุ กรณเ์ หลา่ นน้ั โดยตรง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เลม่ 6 บทที่ 20 | ฟิสกิ สน์ วิ เคลยี ร์และฟิสิกสอ์ นุภาค 175 3. โรงไฟฟา้ นวิ เคลียรแ์ บบน้ำ�มวลหนกั ความดันสงู เคร่ืองปฏกิ รณ�นิวเคลียร� ไอนำ้ เครือ่ งกำเนิดไฟฟ�า แทง� ควบคุม เครอื่ งสบู น้ำ แทง� เช้อื เพลงิ กังหนั เครือ่ งควบแน�น เครอื่ งสบู นำ้ น้ำเย็น รปู โรงไฟฟา้ นวิ เคลียรแ์ บบน�ำ้ มวลหนักความดนั สงู หรือแบบแคนดู โรงไฟฟ้าแบบน�้ำ มวลหนกั ความดันสูง (Pressurized Heavy Water Reactor : PHWR) โรงไฟฟา้ แบบน้ี ประเทศแคนาดาเป็นผพู้ ฒั นา จึงมักเรยี กช่อื วา่ “CANDU” ซง่ึ ย่อมาจาก Cana- dian Deuterium Uranium มีการทำ�งานคล้ายกับแบบ PWR แต่แตกต่างกันท่ี มีการจัดแกน ปฏิกรณ์ในแนวระนาบ และมีการต้มน้ำ�ภายในท่อขนาดเล็กจำ�นวนมากท่ีมีเช้ือเพลิงบรรจุอยู่ แทน การต้มน้ำ�ภายในถังปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ เนื่องจากสามารถผลิตได้ง่ายกว่าการผลิตถังขนาดใหญ่ โดยใช้น�ำ้ มวลหนัก (heavy water, D2O) มาเป็นตวั ระบายความร้อนจากแกนปฏกิ รณ์ นอกจากนี้ ยังมีการแยกระบบใช้น้ำ�มวลหนักเป็นตัวหน่วงความเร็วของนิวตรอนด้วย เนื่องจากนำ้�มวลหนักมี การดดู กลนื นวิ ตรอนนอ้ ยกวา่ น�้ำ ธรรมดา ท�ำ ใหป้ ฏกิ ริ ยิ านวิ เคลยี รเ์ กดิ ขนึ้ ไดง้ า่ ย จงึ สามารถใชเ้ ชอ้ื เพลงิ ยูเรเนียมที่สกัดมาจากธรรมชาติ ซึ่งมียูเรเนียม–235 ประมาณร้อยละ 0.7 ได้โดยไม่จำ�เป็น ตอ้ งผา่ นกระบวนการปรบั ปรงุ ใหม้ คี วามเขม้ ขน้ สงู ขนึ้ ท�ำ ใหป้ รมิ าณผลติ ผลจากการแตกตวั (fission product) ที่เกดิ ในแทง่ เชือ้ เพลงิ ทใี่ ชแ้ ลว้ มนี อ้ ยกวา่ เคร่อื งปฏกิ รณ์แบบใชน้ ้ำ�ธรรมดา สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

176 บทที่ 20 | ฟิสิกสน์ ิวเคลียร์และฟสิ กิ สอ์ นภุ าค ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 20.3.2 ฟวิ ชัน แนวคดิ ทถี่ กู ต้อง ความเข้าใจคลาดเคลือ่ นทอ่ี าจเกดิ ขึน้ 1. การเกิดฟวิ ชันมีธาตหุ รือไอโซโทป ความเขา้ ใจคลาดเคลื่อน กัมมนั ตรังสมี าเกีย่ วขอ้ ง เชน่ ฟิวชนั 1. การเกดิ ฟิวชนั ไมม่ ธี าตุหรอื ไอโซโทป ระหวา่ งดิวเทอรอนกับทรทิ รอน ซง่ึ กมั มันตรงั สีมาเกีย่ วขอ้ ง ทรทิ อนเป็นนวิ เคลยี สของทริเทียมท่ีเปน็ ไอโซโทปกมั มนั ตรงั สี และ ฟวิ ชนั บางชนดิ 2. มวลรวมของอนภุ าคต่าง ๆ หลงั เกดิ ฟวิ ชัน ท�ำ ให้เกดิ นิวเคลยี สของไอโซโทป มากกวา่ มวลรวมก่อนเกดิ ฟวิ ชัน กมั มันตรงั สี 3. ฟิวชันใหพ้ ลังงานมากกวา่ ฟชิ ชันเสมอ 2. มวลรวมของอนุภาคต่าง ๆ หลังเกิดฟวิ ชนั นอ้ ยกว่า มวลรวมก่อนเกดิ ฟวิ ชัน เพราะมี การปลดปลอ่ ยพลังงาน 3. ฟิวชันให้พลังงานต่อมวลมากกว่าฟิชชัน แต่มีบางกรณีที่ฟิวชันให้พลังงานต่อมวล น้อยกว่าฟชิ ชนั แนวการจัดการเรียนรู้ ครชู ้แี จงจุดประสงค์การเรียนรูข้ ้อท่ี 15 และ 16 ของหัวข้อ 20.3 ตามหนังสอื เรยี น จากน้นั ครูน�ำ เข้าสู่หัวข้อ 20.3.2 โดยนำ�อภิปรายทบทวนเก่ียวกับปฏิกิริยานิวเคลียร์และฟิชชัน ถัดมา ครูตั้งคำ�ถามให้ นกั เรยี นอภปิ รายรว่ มกนั วา่ ถา้ นวิ เคลยี สทม่ี มี วลนอ้ ยมารวมกนั เปน็ นวิ เคลยี สทมี่ มี วลมาก จะเกดิ ขนึ้ ไดห้ รอื ไม่ และจะมกี ารใหห้ รอื รบั พลงั งาน อยา่ งไร โดยเปดิ โอกาสใหน้ กั เรยี นแสดงความคดิ เหน็ อยา่ งอสิ ระ ไมค่ าดหวงั ค�ำ ตอบทีถ่ ูกต้อง ครูให้นักเรียนศึกษาการพัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับฟิวชัน ความหมายของฟิวชัน และ พลังงาน นิวเคลียร์จากฟิวชัน ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน แล้วอภิปรายร่วมกันจนได้ข้อสรุปเกี่ยวกับการเกิด ฟิวชันและความสัมพันธ์ระหว่างส่วนของมวลที่ลดลงกับพลังงานนิวเคลียร์ท่ีปลดปล่อยออกมาจากฟิวชัน ตามรายละเอียดในหนังสอื เรยี น สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เล่ม 6 บทท่ี 20 | ฟิสกิ ส์นวิ เคลยี รแ์ ละฟสิ ิกส์อนุภาค 177 ครอู าจใหค้ วามรเู้ พมิ่ เตมิ วา่ ในบางกรณี พลงั งานตอ่ มวลทไี่ ดจ้ ากฟวิ ชนั อาจนอ้ ยกวา่ พลงั งานตอ่ มวล ที่ไดจ้ ากฟิชชนั ครูควรชี้ให้เห็นว่า เง่ือนไขสำ�คัญที่ทำ�ให้เกิดฟิวชันบนดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ได้น้ัน เป็นเพราะ อุณหภูมิของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์สูงมาก ทำ�ให้นิวเคลียสของธาตุเบามีความเร็วสูงมากจนสามารถ เคล่อื นทีเ่ ขา้ มาหลอมรวมกนั ได้ ถึงแมจ้ ะมีแรงผลกั ทางไฟฟ้าระหว่างนิวเคลยี ส ครูอาจถามคำ�ถามชวนคิดให้นักเรียนอภิปรายร่วมกัน โดยครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิด เห็นอย่างอสิ ระ ไม่คาดหวงั คำ�ตอบทถี่ กู ต้อง แนวค�ำ ตอบชวนคดิ การทดี่ วงอาทิตยป์ ลดปลอ่ ยพลงั งานออกมาตลอดเวลาสง่ ผลต่อมวลของดวงอาทิตย์อย่างไร แนวค�ำ ตอบ พลงั งานทด่ี วงอาทติ ยป์ ลดปลอ่ ยออกมา มาจากฟวิ ชนั ซง่ึ มมี วลบางสว่ นของนวิ เคลยี ส ของธาตบุ นดวงอาทติ ยท์ เ่ี กดิ ฟวิ ชนั เปลย่ี นไปเปน็ พลงั งานดงั นน้ั การปลดปลอ่ ยพลงั งานออกมาตลอด เวลาของดวงอาทติ ย์ จะท�ำ ใหม้ วลของดวงอาทติ ยล์ ดลงเรอ่ื ย ๆ กจิ กรรมเสนอแนะส�ำ หรับครู แบบจำ�ลองฟิชชนั และฟิวชัน จุดประสงค์ 1. สร้างแบบจ�ำ ลองเพอ่ื อธิบายฟิชชนั และฟวิ ชนั เวลาที่ใช้ 30 นาที วัสดุและอุปกรณ์ 30 อัน 1. ลูกปดั สี หรอื ลูกแก้ว ท่มี สี ีแตกต่างกันอย่างนอ้ ย 2 สี 1 ม้วน 2. ไหมพรมสแี ตกตา่ งกันอย่างน้อย 2 สี 1 หลอด 3. กาว 1 แผ่น 4. กระดาษเทาขาวแผ่นใหญ่ 1 ชดุ 5. สเี มจิก 1 ชดุ 6. กระดาษโน้ตส ี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

178 บทที่ 20 | ฟิสกิ สน์ ิวเคลยี รแ์ ละฟิสกิ สอ์ นภุ าค ฟสิ ิกส์ เล่ม 6 วิธที ำ�กจิ กรรม แนวทางที่ 1 1. แบง่ นกั เรยี นออกเปน็ กลมุ่ กลมุ่ ละประมาณ 11 คน (หรอื มากกวา่ ) โดยใหส้ มาชกิ ในกลมุ่ แทน อนุภาคในนิวเคลยี ส และอาจใช้อปุ กรณ์อืน่ ๆ รอบตวั แทนพลังงาน 2. ให้นักเรียนแต่ละกลุ่มปรึกษากันเพื่ออุปมาอุปไมยแสดงการเกิดฟิชชันของนิวเคลียสของ ธาตุที่มีเลขมวล 230 - 240 และฟิวชันระหว่างนิวเคลียสของธาตุท่ีมีเลขมวล 2 - 4 ด้วย การแสดงของนกั เรียนในกลุ่ม จากนน้ั ให้แต่ละกลุ่มนำ�เสนอ 3. หลังการนำ�เสนอ ใหน้ ักเรยี นในกลมุ่ อ่ืนวิจารณก์ ารแสดง แนวทางที่ 2 1. แบง่ นกั เรยี นออกเปน็ กลมุ่ กลมุ่ ละ 3 – 4 คน จากนน้ั ใหน้ กั เรยี นแตล่ ะกลมุ่ สรา้ งแบบจ�ำ ลอง การเกดิ ฟชิ ชนั และฟวิ ชนั ของนวิ เคลยี สของธาตบุ างชนดิ บนกระดาษเทาขาวแผน่ ใหญ่ โดยใช้ ลกู ปดั สี หรอื ลกู แกว้ หรอื กระดาษตดั เปน็ วงกลมทม่ี สี แี ตกตา่ งกนั แทนนวิ ตรอนและโปรตอน ใชไ้ หมพรมเปน็ เสน้ ระบุล�ำ ดบั การเกดิ กระบวนการ 2. หลงั จากทแี่ ต่ละกลมุ่ สร้างแบบจ�ำ ลองเสร็จแล้ว ใหน้ �ำ ผลงานไปตดิ ทผ่ี นังหอ้ ง 3. ให้นักเรียนแต่ละกลุ่มเดินหมุนเวียนพิจารณาผลงานของนักเรียนกลุ่มอื่น และเขียนแสดง ความคิดเห็นลงในกระดาษโน้ตสแี ลว้ ตดิ ไวข้ า้ งผลงานของแต่ละกลุ่ม ครใู หน้ กั เรยี นศกึ ษาตวั อยา่ ง 20.11 โดยครเู ปน็ ผใู้ หค้ �ำ แนะน�ำ จากนน้ั ครใู หน้ กั เรยี นพจิ ารณา การเปรียบเทียบระหว่างพลังงานต่อมวลที่ปลดปล่อยออกมาจากฟิชชันของยูเรเนียม-235 กับ พลงั งานตอ่ มวลท่ปี ลดปลอ่ ยออกมาจากฟิวชันระหว่างดิวเทอเรยี มกับทรเิ ทียม ตามรายละเอียดใน หนังสอื เรยี น แลว้ อภปิ รายร่วมกนั เก่ียวกบั ข้อดแี ละขอ้ จ�ำ กดั หากสามารถนำ�พลงั งานนวิ เคลียร์จาก ฟิวชนั มาใชป้ ระโยชน์ได้ ซึ่งควรสรปุ ไดด้ ังนี้ ∙ พลงั งานตอ่ มวลทไี่ ดจ้ ากฟวิ ชนั ระหวา่ งดวิ เทอเรยี มกบั ทรเิ ทยี มมมี ากกวา่ พลงั งานตอ่ มวล ทไ่ี ดจ้ ากฟชิ ชันของยเู รเนยี ม-235 ประมาณ 4 – 5 เท่า ∙ หากสามารถน�ำ พลงั งานนวิ เคลยี รจ์ ากฟวิ ชนั ระหวา่ งดวิ เทอเรยี มกบั ทรเิ ทยี มมาใชป้ ระโยชน์ ได้ จะมขี ้อดีและข้อจ�ำ กัด ดังนี้ ขอ้ ดี - สามารถช่วยแกป้ ัญหาดา้ นพลงั งานได้ เพราะใชน้ ำ้�เปน็ วัตถดุ บิ - ชว่ ยลดปญั หาการเปลยี่ นแปลงสภาพภมู อิ ากาศได้ เพราะพลงั งานนวิ เคลยี รจ์ ากฟวิ ชนั ไมม่ กี ารปลอ่ ยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ - กากกัมมนั ตรงั สอี ยใู่ นระดบั ที่ไมเ่ ปน็ อนั ตรายต่อสงิ่ มีชวี ิต สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เลม่ 6 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ สน์ ิวเคลียร์และฟสิ ิกส์อนภุ าค 179 ข้อจ�ำ กัด - มคี ่าใชจ้ า่ ยสงู ในการสร้างสภาวะท่เี หมาะสมเพื่อท�ำ ให้เกิดฟิวชนั ครูให้นักเรียนตอบคำ�ถามตรวจสอบความเข้าใจและทำ�แบบฝึกหัด 20.3 ท้ังน้ี ครูอาจให้ นักเรียนเขียนแผนภาพ เพ่ือเปรียบเทียบส่วนท่ีเหมือนและส่วนท่ีแตกต่างระหว่างฟิชชันกับฟิวชัน ดงั ตัวอย่างแผนภาพดา้ นลา่ ง ตัวอยา่ งแผนภาพแสดงการเปรยี บเทยี บฟิชชนั กับฟวิ ชัน ฟชชัน ฟว ชัน สว นที่เหมอื น ตัวอย่าง แนวคำ�ตอบ ฟช ชัน ฟว ชัน - เกิดกับนวิ เคลียส สวนทีเ่ หมือน - เกิดกบั นิวเคลียส ของธาตหุ นัก - มีการปลดปลอย ของธาตุเบา - ตอ งมีการกระตุน พลงั งานออกมา - ไมตองมีการกระตุน ดวยอนุภาค - นวิ เคลยี สมกี าร ดว ยอนุภาคแตตอง กระตุนดว ยอุณหภมู ิ - เปนการแยกกนั เปล่ยี นแปลง สงู และความดันสูง ของนิวเคลยี ส - ผลรวมมวลหลงั - เปนการรวมกัน - เกดิ ขนึ้ ไดทอี่ ณุ หภมู ิ ปฏกิ ิริยาลดลง ของนิวเคลยี ส ไมสูงมาก - เกิดขนึ้ ไดท่ี อณุ หภูมิสงู สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

180 บทที่ 20 | ฟสิ ิกสน์ วิ เคลยี ร์และฟสิ ิกสอ์ นุภาค ฟสิ กิ ส์ เล่ม 6 แนวการวัดและประเมนิ ผล 1. ความรเู้ กย่ี วกบั ปฏกิ ริ ยิ านวิ เคลยี ร์ ฟชิ ชนั ฟวิ ชนั และ พลงั งานนวิ เคลยี ร์ จากค�ำ ถามตรวจสอบ ความเขา้ ใจ 20.3 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำ�นวน จากการแก้โจทย์ปัญหาและการคำ�นวณปริมาณต่าง ๆ เกี่ยวกับ ฟชิ ชัน ฟวิ ชัน และ พลงั งานนิวเคลยี ร์ ในแบบฝกึ หัด 20.3 3. จติ วทิ ยาศาสตรด์ า้ นความมเี หตผุ ล จากการอภปิ รายรว่ มกนั และดา้ นความรอบคอบ จากการท�ำ แบบฝึกหดั 20.3 แนวค�ำ ตอบค�ำ ถามตรวจสอบความเขา้ ใจ 20.3 1. จงให้ความหมายของปฏิกริ ยิ านวิ เคลยี ร์ แนวค�ำ ตอบ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือ กระบวนการท่ีนิวเคลียสมีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบ ภายในเมื่อได้รบั การกระตุ้น 2. ในการเกดิ ฟชิ ชัน นิวเคลยี สมีการเปล่ยี นแปลงอยา่ งไร แนวคำ�ตอบ นิวเคลียสของธาตุหนักดูดจับนิวตรอนไว้ กลายเป็นนิวเคลียสที่อยู่ในสถานะ กระตนุ้ จากนั้น จะแยกออกเปน็ นิวเคลียส 2 นิวเคลียสท่ีมเี ลขอะตอมและมวลน้อยลง 3. นวิ เคลียสทเี่ กิดฟวิ ชนั มกี ารเปล่ยี นแปลงอยา่ งไร แนวค�ำ ตอบ นวิ เคลียสของไอโซโทปที่เกดิ ฟวิ ชันมกี ารรวมกนั เป็นนวิ เคลียสทมี่ ีมวลมากขึน้ 4. พลงั งานนิวเคลยี รท์ ไ่ี ดจ้ ากฟิชชันและฟิวชนั มาจากอะไร แนวคำ�ตอบ มาจากมวลที่ลดลงหลังการเกิดฟิชชันและฟิวชัน ซึ่งส่วนของมวลท่ีลดลงนี้ได้ เปล่ียนไปเป็นพลังงาน ตามความสมั พนั ธ์ระหวา่ งมวลกบั พลังงานของไอน์สไตน์ 5. จงยกตัวอย่าง ธาตุหรอื ไอโซโทปของธาตุ ท่ีสามารถท�ำ ให้เกิดฟิวชันไดม้ า 3 ชนิด แนวค�ำ ตอบ ไฮโดรเจน ดวิ เทอเรียน ทริเทยี ม 6. เคร่อื งปฏกิ รณ์นิวเคลียร์ช่วยให้สามารถนำ�พลังงานนิวเคลยี รจ์ ากฟิชชันมาผลติ ไฟฟ้าไดอ้ ยา่ งไร แนวคำ�ตอบ เคร่ืองปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถสร้างและควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ให้เกิดข้ึนใน อตั ราทเ่ี หมาะสม สามารถถา่ ยโอนพลงั งานนวิ เคลยี รใ์ หก้ บั น�ำ้ ท�ำ ใหน้ �ำ้ มอี ณุ หภมู สิ งู จนกลายเปน็ ไอนำ้� ซ่ึงจะถูกน�ำ ไปใชห้ มุนกังหนั และเคร่อื งกำ�เนิดไฟฟา้ สำ�หรบั การผลติ ไฟฟ้าต่อไป สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เล่ม 6 บทท่ี 20 | ฟสิ ิกสน์ ิวเคลยี ร์และฟิสิกสอ์ นภุ าค 181 เฉลยแบบฝึกหัด 20.3 ค�ำ ถามตอ่ ไปน้ี กำ�หนดให้ - มวล 1 u เทา่ กบั 1.66 × 10-27 กิโลกรัม โดยมวล 1 u เทียบเท่ากับพลังงาน 931.5 MeV - พลังงาน 1 อิเล็กตรอนโวลต์ เทา่ กบั 1.66 × 10-19 จลู และ 1 โมลอะตอม เท่ากับ 6.02 × 1023 อะตอม 1. จงค�ำ นวณพลงั งานที่ไดจ้ ากปฏกิ ริ ิยานิวเคลยี รต์ อ่ ไปน้ี 14 N+ 2 H 15 N+11 H 7 1 7 กำ�หนด มวลอะตอม m 14 N เทmา่ 21กHับ 14.00307m41u74 N m 2 H เท่ากับ 2.014102u 7 1 m15 N เทmา่ ก11Hับ 15.0001m08175uN m1 H เท่ากบั 1.007825u 7 1 วิธที �ำ หามวลรวมกอ่ นเกดิ ปฏิกิริยา (m1) m1 = m14 N m2 H 7 1 = 14.003074 u + 2.014102 u = 16.017176 u หามวลรวมหลงั เกดิ ปฏิกิรยิ า (m2) m2 = m15 N m1 H 7 1 = 15.000108 u + 1.007825 u = 16.007933 u หาผลต่างระหว่างมวลกอ่ นกับหลังเกดิ ปฏิกิริยา Δm = m2 − m1 = 16.007933 u - 16.017176 u = 0.009243 u หาพลังงานที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ จากพลังงานท่ีเทียบเท่าผลต่างระหว่างมวลก่อน กบั หลงั การเกิดปฏกิ ิรยิ า โดยมวล 1 u เทยี บเท่าพลงั งาน 931.5 MeV E = (Δm)(931.5 MeV/u) = (0.009243 u)(931.5 MeV/u) = 8.609855 MeV ตอบ พลังงานทีไ่ ดจ้ ากปฏกิ ริ ยิ านวิ เคลียร์น้ีเทา่ กับ 8.610 เมกะอเิ ลก็ ตรอนโวลต์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

182 บทท่ี 20 | ฟิสกิ ส์นิวเคลียรแ์ ละฟสิ กิ ส์อนภุ าค ฟิสกิ ส์ เลม่ 6 2. จากสมการการเกดิ ฟิชชนั ของยูเรเนียม-235 235 U + 1 n 140 Xe + 94 Sr + 2 1 n 92 0 54 38 0 ถา้ มพี ลงั งานถกู ปลอ่ ยออกมา 200 MeV จงค�ำ นวณพลงั งานทไ่ี ดจ้ ากการเกดิ ฟชิ ชนั ของ ยเู รเนยี ม-235 มวล 1 กรมั กำ�หนดมวลอะตอมของยเู รเนียม-235 เท่ากับ 235.043930 u วิธที �ำ แปลงมวลอะตอมของยูเรเนียม-235 m( )235U ในหน่วย u ให้อยู่ในหน่วยกรัม โดยมวล 92 1 u เท่ากับ 1.66 × 10-27 กิโลกรมั จะได้ m 235 U = (235.043930 u)(1.66 × 10-27 kg/u) 92 = 3.901729 × 10-25 kg พิจารณา อัตราส่วนพลังงานท่ไี ด้จากฟชิ ชัน 200 MeV ต่อมวลยูเรเนียม-235 3.901729 × 10-25 กิโลกรมั เทา่ กับ อัตราสว่ นพลังงานท่ีได้จากฟิชชัน E ต่อมวลของ ยูเรเนียม-235 1 กรมั หรือ 1 × 10-3 กโิ ลกรัม ดงั น้ัน E 200 MeV (1 10 3 kg) 3.901729 10 25 kg = 5.125933 × 1023 MeV ตอบ พลังงานท่ีไดจ้ ากการเกิดฟิชชันของยเู รเนียม-235 มวล 1 กรมั เทา่ กับ 5.13 × 1023 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ 3. การเกิดฟิวชันของนีออน-20 (1200 Ne)+2 น2100วิ Nเคeลยี ส2100ท42N00�ำ Cใeหa้ไ+ดแ้ 21ค00 ลNเซeยี ม (2400 Ca) ดังสมการ 1200 Ne + 20 Ne 40 Ca 10 20 จงหาพลงั งานทถ่ี กู ปลอ่ ยออกมา ก�ำ หนดมวลอะต2100อNมขeอ+ง 12002100NNeeแ+ละ120024N00 Cea เทา่42ก00 Cบั a19.992436 u และ 39.962591 u ตามล�ำ ดบั วิธีทำ� หาพลังงานท่ีถูกปล่อยออกมา (E) ได้จากพลังงานที่เทียบเท่าผลต่างระหว่างมวลรวม กอ่ นฟิวชนั ลบด้วยมวลรวมหลังฟิวชัน (Δm) หาผลต่างระหวา่ งมวลกอ่ นกับหลงั ฟิวชัน Δm = (19.992436 u + 19.992436 u) − 39.962591 u = 0.022281 u หาพลังงานที่เทียบเทา่ ผลตา่ งระหวา่ งมวลจากสมการ E = (Δm)(931.5 MeV/u) แทนค่า จะได้ E = (0.022281 u)(931.5 MeV/u) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เล่ม 6 บทที่ 20 | ฟิสกิ สน์ วิ เคลยี รแ์ ละฟิสิกส์อนภุ าค 183 = 20.75 MeV ตอบ พลังงานทถี่ ูกปลอ่ ยออกมาเทา่ กับ 20.75 เมกะอเิ ลก็ ตรอนโวลต์ 4. ฟวิ ชนั บนดวงอาทติ ยแ์ ละดวงดาวสว่ นมาก เกดิ จากการรวมกนั ของนวิ เคลยี สของไฮโดรเจน4(11H) 4 He + 2 2 จ�ำ นวน 4 นวิ เคลยี ส กลายเป็นนิวเคลยี สขอ4งฮ11Hีเลียม ( 4 He)+จำ�2นว01นe +1 2นิวเeคลยี ส ดงั สมการ 2 411H 4 He + 2 0 e + 2 e 2 1 จงหาพลงั งานท่ปี ลดปล่อยออกมาจากฟวิ ชนั น้ี กำ�หนด มวลอะ4ตอ11Hม411H 4 H42eH+แeล2ะ+012e +เ01ทe2่า+กับe21.e007825 u 4.002603 u และ 0.000549 u 2 ตามลำ�ดบั และมวลของนวิ ทรโิ นมคี า่ นอ้ ยมาก วธิ ีท�ำ หาพลังงานที่ถูกปล่อยออกมา (E) ได้จากพลังงานท่ีเทียบเท่าผลต่างระหว่างมวลรวม ก่อนฟวิ ชนั ลบด้วยมวลรวมหลงั ฟวิ ชัน (Δm) หาผลตา่ งระหวา่ งมวลกอ่ นกับหลงั ฟิวชนั Δm = 4(1.007825 u) − 4.002603 u − 2(0.000549 u) = 0.027599 u หาพลงั งานทเ่ี ทียบเท่าผลตา่ งระหวา่ งมวลจากสมการ E = (Δm)(931.5 MeV/u) แทนคา่ จะได้ E = (0.027599 u)(931.5 MeV/u) = 25.7 MeV พลังงานปฏิกิริยาเทา่ กบั 25.7 MeV ตอบ พลงั งานทไี่ ด้จากฟิวชนั เทา่ กบั 25.7 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ 5. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งหน่งึ ใช้เช้อื เพลิงนิวเคลียร์ท่มี ียูเรเนียม-235 (29325 U) เป็นองค์ประกอบ จงตอบค�ำ ถามตอ่ ไปน้ี ก. ถ้าเร่มิ ต้นมียูเรเนียม-235 มวล 100 มิลลิกรัม หลังการเกิดฟิชชัน มวลของยูเรเนียม-235 หายไป 0.20% พลงั งานนวิ เคลยี รท์ ไ่ี ดจ้ ากฟชิ ชนั ของยเู รเนยี มมคี า่ เทา่ ใด ข. ถ้าเปรียบเทียบกับโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนท่ีใช้นำ้�มันเตา เพ่ือให้ได้ความร้อนเท่ากับ โรงไฟฟา้ นวิ เคลยี ร์ จะตอ้ งใชน้ �ำ้ มนั เตากต่ี นั ก�ำ หนด การเผาน�ำ้ มนั เตา 1 ตนั ไดค้ วามรอ้ น 8.40 × 109 จลู วิธีทำ� ก. ให้ Δm เปน็ มวลของยเู รเนยี ม -235 ทหี่ ายไปหลงั การเกดิ ฟชิ ชนั และ E เปน็ พลงั งาน นิวเคลียรท์ ไ่ี ด้จากฟิชชันของยูเรเนียม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

184 บทท่ี 20 | ฟิสกิ สน์ วิ เคลียร์และฟิสกิ ส์อนุภาค ฟสิ ิกส์ เล่ม 6 หลงั การเกิดฟชิ ชนั มวลของยเู รเนยี มหายไป 0.20% ของ 100 มลิ ลิกรัม หรือ m 0.20 100mg 100 = 0.2 mg = 2 × 10-6 kg หาพลังงานนวิ เคลียรใ์ นหนว่ ยจูลทีเ่ ทียบเท่ามวลที่หายไปได้โดยใชส้ มการ E = (Δm)c2 แทนคา่ Δm = 2 × 10-6 kg และ c = 3 × 108 m/s จะได้ E = (2 × 10-6 kg)(3 × 108 m/s)2 = 1.80 × 1011 J ข. เปรยี บเทยี บพลงั งานนวิ เคลยี รท์ ไี่ ดจ้ ากโรงไฟฟา้ นวิ เคลยี รก์ บั พลงั งานความรอ้ นทไี่ ด้ จากในโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อน พิจารณา อตั ราสว่ น ความรอ้ น 8.40 × 109 จูล ต่อมวลนำ้�มนั เตาท่ีใช้ 1 ตัน เทา่ กบั อตั ราสว่ นความร้อน 1.80 × 1011 จูล ต่อมวลน้�ำ มนั เตาทใี่ ช้ x ตนั ดังนน้ั (1.80 1011 J)(1 ต นั ) x 84 108 J = 21.43 ตัน ตอบ ก. พลังงานนวิ เคลียรท์ ่ไี ด้เท่ากับ 1.80 × 1011 จลู ข. จะตอ้ งใชน้ �ำ้ มนั เตา 21.4 ตนั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 บทท่ี 20 | ฟิสกิ ส์นิวเคลยี ร์และฟิสกิ ส์อนุภาค 185 20.4 ประโยชนแ์ ละการป้องกนั อนั ตรายจากรงั สี จุดประสงคก์ ารเรยี นรู้ 1. ยกตัวอยา่ งการนำ�รงั สไี ปใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ 2. ยกตัวอย่างอนั ตรายของรงั สีท่มี ตี ่อรา่ งกาย 3. บอกวธิ ีการปอ้ งกันอนั ตรายจากรังสี สงิ่ ทคี่ รูต้องเตรยี มลว่ งหนา้ 1. เตรียมคลิปวิดีทศั น์เกย่ี วกับการใชป้ ระโยชน์จากรังสี ควรเตรยี มไวใ้ หพ้ รอ้ ม เชน่ - คลปิ เคร่ืองมือรงั สีรักษา เช่น คลิปท่ีลิงค์ ∙ https://youtu.be/WRZWNP8w1nc ∙ https://youtu.be/IhuJd_76QLo - คลปิ การหาอายขุ องวัตถโุ บราณด้วยเทคโนโลยที างนิวเคลยี ร์ เช่น คลิปทล่ี งิ ค์ ∙ https://youtu.be/bPzUk_DQwzg ∙ https://youtu.be/puauHNj-1RU 2. ถ้ามีการท�ำ กิจกรรมเสนอแนะส�ำ หรบั ครู เกมจบั คู่ เกมใบ้ค�ำ หรอื เกมบิงโก ฟิสกิ ส์นิวเคลยี ร์ ให้เตรียม วสั ดอุ ปุ กรณส์ �ำ หรบั กจิ กรรม ไดแ้ ก่ กระดาษ A4 ตามจ�ำ นวนนกั เรยี น พรอ้ มทงั้ บตั รค�ำ ศพั ทแ์ ละค�ำ ถามท่ี จะใชใ้ นการทำ�กจิ กรรม 3. ถ้ามีการให้นักเรียนจัดทำ�ส่ือสำ�หรับการนำ�เสนอ ให้เตรียมวัสดุอุปกรณ์สำ�หรับการจัดทำ�ส่ือให้พร้อม เชน่ กระดาษฟลปิ ชารท์ สเี มจิก แนวการจดั การเรยี นรู้ ครนู �ำ เขา้ สหู่ วั ขอ้ 20.4 โดยทบทวนความรเู้ กยี่ วกบั กมั มนั ตภาพรงั สี และ ปฏกิ ริ ยิ านวิ เคลยี ร์ โดยอาจ จัดกิจกรรมเสนอแนะสำ�หรับครู เกมจับคู่ หรือ เกมใบ้คำ� ตามที่ได้นำ�เสนอไว้ในหัวข้อ 20.2 หรือ อาจ จัดกิจกรรม เกมบิงโก ที่แสดงตัวอย่างในหน้าถัดไป จากนั้น ตั้งคำ�ถามให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันว่า เรา สามารถน�ำ ความรเู้ ขา้ ใจเกยี่ วกบั ธาตกุ มั มนั ตรงั สแี ละรงั สี ไปประยกุ ตใ์ ชป้ ระโยชนไ์ ดอ้ ยา่ งไร โดยเปดิ โอกาส ให้นกั เรยี นแสดงความคิดเหน็ อย่างอิสระ ไมค่ าดหวงั ค�ำ ตอบท่ีถกู ต้อง ให้นักเรียนชมคลิปวิดีทัศน์หรือรูปเก่ียวกับการใช้ประโยชน์จากรังสี เช่น การสร้างภาพ 3 มิติของ อวยั วะภายในรา่ งกายผปู้ ว่ ยโดยใชเ้ ครอ่ื งฉายรงั สสี �ำ หรบั การตรวจวนิ จิ ฉยั และรกั ษาโรค การหาอายขุ องวตั ถุ โบราณโดยใช้ความรู้เกี่ยวกับไอโซโทปกัมมันตรังสี หรือ การศึกษาการดูดซึมปุ๋ยของพืชโดยใช้ไอโซโทป กัมมันตรงั สี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

186 บทท่ี 20 | ฟสิ กิ ส์นิวเคลยี ร์และฟสิ กิ สอ์ นุภาค ฟิสิกส์ เล่ม 6 กจิ กรรมเสนอแนะสำ�หรบั ครู เกมบงิ โก ฟิสกิ สน์ ิวเคลยี ร์ จดุ ประสงค์ 1. บอกความหมายของค�ำ ศัพทท์ ีเ่ ก่ียวขอ้ งกบั กัมมันตภาพรงั สแี ละปฏิกิรยิ านวิ เคลียร์ เวลาทีใ่ ช้ 10 - 15 นาที วสั ดุและอปุ กรณ์ 1. แผ่นบิงโก ตามจำ�นวนนกั เรยี น (หรอื ดาวนโ์ หลดแผ่นบงิ โกได้จาก QR Code ประจำ�บทท่ี 20 หรือท่ีลิงค์ http://ipst.me/11456) 2. ดนิ สอ หรอื ปากกา 1 ด้าม 3. ใบรายการคำ�ศัพท ์ 1 ใบ วิธีทำ�กจิ กรรม 1. แจกแผน่ บงิ โกที่มีตารางขนาด 3cm × 3cm จ�ำ นวน 16 ช่อง และใบรายการค�ำ ศพั ทใ์ หก้ ับ นักเรยี นคนละใบ 2. ให้นักเรยี นสุม่ เลือกค�ำ ศัพท์เกี่ยวกับกัมมนั ตภาพรงั สีและปฏิกริ ิยานิวเคลยี ร์ ในรายการดา้ น ล่างตารางบงิ โกในแผน่ บงิ โกท่คี รแู จก แล้วเขยี นลงไปในตารางชอ่ งละคำ� โดยไมเ่ รียงลำ�ดบั จนครบ 16 ชอ่ ง 3. ครูช้ีแจงวธิ กี ารเลน่ เกม โดยครูจะอ่านค�ำ ถามทีละคำ�ถาม แล้วใหน้ กั เรียนพิจารณาคำ�ตอบ ถา้ ในชอ่ งใดของตารางมีค�ำ ทเ่ี ปน็ ค�ำ ตอบของค�ำ ถาม ใหก้ ากบาทช่องนัน้ แต่ถ้าไมม่ ีคำ� ท่เี ป็นค�ำ ตอบ ให้รอฟังคำ�ถามตอ่ ไป โดยไม่ตอ้ งเขยี นอะไรลงไปในตาราง 4. ถ้านักเรยี นคนใดกากบาทได้ 4 ชอ่ งเรียงกนั ในแนวตั้ง แนวนอน หรอื แนวทแยง อยา่ งใด อยา่ งหนึง่ ใหพ้ ดู ดงั ๆ วา่ บิงโก แลว้ นำ�ผลการกากบาทมาตรวจคำ�ตอบกับครู 5. นกั เรยี นไดช้ อ่ งท่ีกากบาท 4 ช่อง เรยี งกันและไดค้ ำ�ตอบถกู ตอ้ งทั้ง 4 ช่อง เป็นผู้ชนะ โดยครูอาจพจิ ารณาให้รางวัลนกั เรยี นท่ไี ด้บงิ โก 3 – 4 รางวัลและอาจอา่ นคำ�ถามท่ีเหลอื จน หมด เพอื่ เปน็ การทบทวนความรู้รว่ มกนั ในหอ้ ง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เล่ม 6 บทท่ี 20 | ฟิสิกสน์ วิ เคลียรแ์ ละฟสิ กิ สอ์ นุภาค 187 ตัวอยา่ งค�ำ ศัพท์ในใบรายการค�ำ ศัพท์ ท่ีนกั เรียนเลือกเขียนลงในช่องของตาราง กัมมนั ตภาพ คร่งึ ชวี ติ คาคงตวั การสลายให การสลาย แอลฟา การสลายให การสลายให ปฏิกิรยิ า ฟช ชัน บตี า แกมมา นวิ เคลียร ฟว ชนั พลงั งาน สวนพรอ งมวล ปฏิกริ ยิ าลูกโซ นวิ เคลยี ร พลงั งาน กมั มนั ตภาพรงั สี ดิวเทอรอน อิเลก็ ตรอน ยดึ เหนี่ยว ตวั อยา่ งค�ำ ถามส�ำ หรบั ครู 1. การสลายให้บตี า เปน็ การสลายทีใ่ หอ้ นุภาคอะไร 2. การรวมกันของนวิ เคลียสของธาตเุ บาแลว้ มีการปลดปล่อยพลงั งานออกมาเปน็ ปฏิกริ ยิ า อะไร 3. กระบวนการทน่ี วิ เคลยี สไดร้ บั การกระตนุ้ ดว้ ยอนภุ าคชนดิ หนง่ึ แลว้ มกี ารแยกออกเปน็ นวิ เคลยี สใหม่เป็นปฏกิ ริ ยิ าอะไร 4. ช่วงเวลาที่ธาตุกัมมันตรังสีสลายจนกระท่ังลดลงเหลืออยู่ครึ่งหนึ่งของปริมาณเริ่มต้น เรยี กวา่ อะไร 5. นิวเคลยี สของไอโซโทปท่เี ป็นวัตถดุ บิ สำ�หรบั การสร้างฟิวชัน คอื อะไร 6. อัตราการแผ่รงั สีของธาตุกัมมนั ตรงั สี เรียกวา่ อะไร 7. ความนา่ จะเปน็ ทน่ี วิ เคลียสจะเกดิ การสลายในหน่งึ หนว่ ยเวลา คอื อะไร 8. การสลายท่นี ิวเคลยี สมเี ลขมวลลดลง 4 และเลขอะตอมลดลง 2 เปน็ การสลายใหอ้ นุภาค อะไร 9. การสลายท่ีเกดิ ขึน้ แล้ว นิวเคลียสยงั เป็นนิวเคลียสชนิดเดิม คอื การสลายให้อะไร สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี