ฟิสิกส์นิวเคลียร์ PYE_1_269

ฟสิ ิกส์นิวเคลยี ร์ จนั ทร์ทมิ า ไชยลี 61102010269

1 20.3 การสลายของนิวเคลียสกัมมนั ตรงั สี การสลายตัวของนิวเคลยี สของยเู รเนยี ม-238 พบว่า นอกจากจะมีทอเรียม-234 และมีอนุภาคแอลฟา ออกมา ทอเรียมยังสลายต่อไปเปน็ โพรแทกทเิ นยี ม-234 พรอ้ มปลอ่ ยอนุภาคบตี าและรังสีแกมมาออกมาด้วย โพรแทกทเิ นียม-234 จะสลายตอ่ ไปอีก เขยี นลาดับการสลายของนวิ เคลยี สยูเรเนียม-238 เปน็ อนุกรมได้ดัง ตาราง 20.2 ในตารางสญั ลักษณ์ α, ������ และ γ ทเ่ี ขยี นกากับลกู ศรนน้ั แสดงชนดิ ของอนุภาค หรือรงั สีทไ่ี ดจ้ าก การสลาย สาหรับตะก่วั -206 เป็นธาตุสุดท้ายในอนุกรม ซงึ่ เปน็ ธาตเุ สถียร (stable element) จึงไมม่ ีการ สลายต่อไปอกี ตาราง 20.2 ลาดับการสลายของธาตุกัมมนั ตรังสีในอนุกรมของยเู รเนยี ม-238 ครง่ึ ชีวติ หมายถึง ช่วงเวลาที่อะตอมของธาตุกัมมันตรังสีลดจานวนลงเหลอื ครึ่งหนงึ่ ของจานวน เริ่มตน้

2 นอกจากอนุกรมการสลายของยเู รเนียม-238 พบวา่ มอี ีก 2 อนุกรมซ่ึงเป็นการสลายของธาตุ กัมมนั ตรงั สีธรรมชาติ ได้แก่ อนกุ รมท่ีเร่มิ ต้นดว้ ยยเู รเนียม-235 โดยมีตะกว่ั -208 เป็นธาตุสุดท้ายในอนุกรม และอนุกรมที่เริ่มตน้ ดว้ ยทอเรียม-232 โดยมีตะกวั่ -208 เป็นธาตสุ ดุ ทา้ ยในอนุกรม ในการสลายของธาตกุ ัมมนั ตรังสีในอนุกรมของยูเรเนียม-238 พบว่า อะตอมของพอโลเนียม-218 จะ ลดจานวนลงคร่งึ หนึ่งในเวลาเพียง 3.05 นาที ในขณะที่อะตอมของเรเดียม-226 ต้องใชเ้ วลาถงึ 1620 ปี จึงจะ ลดจานวนลงครึ่งหนงึ่ จะเหน็ ว่า ธาตกุ ัมมนั ตรงั สีแตล่ ะชนดิ อตั ราการสลายต่างกนั ในปี พ.ศ. 2445 รดั เทอร์ฟอร์ด และซอดดี ได้ตั้งสมมติฐานเพ่ือใช้อธบิ ายการสลายของธาตุ กมั มนั ตรงั สี ดังน้ี 1. ธาตกุ ัมมันตรังสจี ะสลายกลายเปน็ ธาตุใหม่ดว้ ยการปลอ่ ยอนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคบตี า ธาตใุ หม่ ทไ่ี ด้จากการสลายมสี มบัติทางเคมีที่ผดิ ไปจากธาตเุ ดิม และธาตุใหม่อาจจะเป็นธาตุกัมมนั ตรังสีก็ได้ 2. การสลายของธาตุกมั มันตรังสไี ม่ขึ้นกบั สภาพแวดล้อมภายนอกนิวเคลียส เชน่ อุณหภูมิ ความดัน เปน็ ต้น แต่การสลายจะเป็นไปตามหลกั การทางสถติ ิท่ีเกย่ี วกบั โอกาสและกระบวนการแบบสุม่ เช่น ถา้ มีธาตุ กัมมนั ตรงั สีอยจู่ านวนหนึง่ เราไมส่ ามารถบอกได้วา่ นิวเคลยี สใดในธาตุน้ันจะสลายก่อนหรอื หลัง กล่าวไดว้ า่ ทุกนวิ เคลียสมีโอกาสเท่าๆ กันทีจ่ ะสลายในช่วงเวลาหนึ่ง และโอกาสท่ีวา่ นีจ้ ะไม่ข้นึ กับสภาพแวดลอ้ มและเวลา นอกจากนี้ อัตราการสลายของนวิ เคลยี สของธาตุกัมมันตรงั สีขณะหน่งึ จะแปรผนั ตรงกบั จานวนนิวเคลียส ของธาตกุ ัมมันตรงั สีนั้นที่มอี ยู่ในขณะนน้ั ถา้ ให้ ������ เป็นจานวนนวิ เคลียสของธาตกุ ัมมนั ตรังสที ่มี ีอย่ขู ณะเวลา ������ ∆������ เปน็ จานวนนิวเคลียสที่สลายไปในช่วงเวลาสัน้ ๆ ∆������ นับจากเวลา ������ ดังนัน้ ∆������ แสดงจานวนนิวเคลียสทีส่ ลายไปในหนึง่ หน่วยเวลา คอื อัตราการสลายของนิวเคลยี ส ณ ∆������ เวลา ������ ปริมาณน้ีเปน็ ปรมิ าณท่ีแปรผันตรงกบั จานวนของนิวเคลียสทีม่ ขี ณะนั้น เขยี นความสัมพนั ธ์ ได้วา่ ΔN ∝N ∆t หรือ ∆N = -λN ∆t (20.1) โดยท่ี λ เป็นค่าคงตัวของการแปรผนั มคี า่ ข้ึนอยู่กับนวิ เคลียสของธาตุกัมมันตรงั สีค่าคงตัวนี้ เรียกว่า คา่ คงตัวการสลาย (Decay constant) เครอื่ งหมายลบแสดงการลดจานวนของนิวเคลยี สเมื่อเวลาผ่านไป ถ้าช่วงเวลา Δ������ มคี า่ นอ้ ยมาก (∆������ → 0) เราสามารถใชค้ วามรู้แคลคลู สั เขยี นสมการ (20.1) ได้เป็น ∆������ ������������ ∆������ ������������ lim = = −������������ ∆������→0

3 หรอื − ������������ = λ������ (20.2) ������������ ปริมาณ − ������������ บอกอตั ราการลดลงของจานวนนิวเคลยี สของธาตกุ ัมมันตรังสี คอื อตั ราการแผ่รังสี ������������ ในขณะใดขณะหน่ึง เรยี กปริมาณนว้ี า่ กัมมนั ตภาพ (activity) ของธาตุกัมมันตรงั สี แทนด้วยสญั ลกั ษณ์ ������ จากสมการ (20.2) จะได้วา่ ������ = ������������ (20.3) ปรมิ าณน้ีหาได้จากจานวนนวิ เคลยี สทีส่ ลายตอ่ วนิ าที จึงมหี นว่ ยต่อวินาที (������−1) ในระบบเอสไอ ������ มี หนว่ ยเปน็ เบก็ เคอเรล ใชส้ ญั ลักษณ์ Bq โดยที่ 1 Bq = 1������−1 ในทางปฏิบัตินยิ มกมั มันตรังภาพในหน่วยคูรี มีสญั ลกั ษณ์ Ci โดย 1 ครู ี มคี า่ เท่ากบั 3.7 × 1010 เบ็กเคอเรล จะเหน็ ว่ากัมมันตภาพ 1 ครู ี มคี ่าสูงมาก จึงนยิ มใชห้ น่วยทเ่ี ลก็ กวา่ คือ มิลลคิ ูรี และไมโครครู ี สญั ลกั ษณ์ mCi และ μCi ตามลาดบั 1 Ci = 3.7 × 1010Bq 1 mCi = 3.7 × 1010Bq 1μCi = 3.7 × 1010Bq ถ้าธาตุกัมมันตรงั สีธาตหุ น่ึง สลายโดยปลอ่ ยรังสบี ตี า ขณะท่ีธาตุนี้มกี ัมมันตรงั ภาพ 1 ครู ี จะสลายให้ อนุภาคบีตา 3.7 × 1010 ตัวต่อวินาที การวัดกัมมันตภาพของธาตุกมั มันตรังสี ทาได้โดยผา่ นรังสไี ปในแก๊สซึง่ อยู่ในเคร่ืองวัดรังสี (รูป 20.11) ทาให้แกส๊ แตกตวั เปน็ ไอออน อตั ราการแตกตวั เปน็ ไอออนทว่ี ัดไดข้ ณะหนง่ึ จะ แปรผนั ตรงกับกัมมันตภาพของธาตุในขณะน้นั รปู 20.11 เคร่ืองวัดรังสีแบบไกเกอร์ สมการ (20.2) เป็นสมการอนุพนั ธ์ จะไม่แสดงวิธหี าคาตอบของสมการนีโ้ ดยวธิ ีการทางคณิตศาสตร์ เพยี งแต่สรปุ วา่ สมการแสดงความสัมพนั ธร์ ะหวา่ ง N กบั t อย่ใู นรูป

4 ������ = ������0������−������������ (20.4) เมอ่ื ������0 เปน็ จานวนนวิ เคลียสของธาตุกัมมนั ตรังสีเมอ่ื เร่ิมพจิ ารณา (������ = 0) ������ เป็นจานวนนิวเคลยี สของธาตุกัมมนั ตรังสีที่ยังสลายหรือทเ่ี หลืออยู่เมื่อเวลาผ่านไป ������ และ ������ เป็นค่าคงตวั มีค่าประมาณเท่ากับ 2.7182818 สมการ (20.4) อธิบายการสลายของธาตุกมั มนั ตรังสีเชิงปริมาณ เม่ือเขียนกราฟแสดงความสมั พันธ์ ระหวา่ ง N กบั t ตามสมการ จะได้กราฟดังรปู 20.12 แสดงให้เห็นว่า จานวนนวิ เคลยี สกัมมนั ตรังสีจะเหลือ นอ้ ยลงเม่ือเวลาผา่ นไป เรียกชว่ งเวลาของการสลายทจ่ี านวนนวิ เคลยี สลดลงเหลือคร่ึงหน่ึงของจานวนเร่ิมตัน ครง่ึ ชีวิต (half life) ของธาตุกมั มนั ตรงั สี แทนดว้ ยสัญลักษณ์ ������1 ธาตุกัมมันตรังสีชนดิ หนึง่ จะมคี ร่ึงชวี ติ คงตัว 2 และมคี ่าแตกตา่ งจากครึ่งชีวติ ของธาตุกัมมันตรังสีอน่ื ๆ ดงั ตัวอย่างที่แสดงในตาราง 20.2 และ 20.3 รูป 20.12 จานวนนิวเคลยี สของธาตกุ ัมมนั ตรงั สที ี่เหลืออยู่ ณ เวลาต่างๆ ตาราง 20.3 ครง่ึ ชีวิตของธาตุกมั มนั ตรังสบี างธาตุ พจิ ารณากราฟในรปู (20.12) ตอนเรมิ่ ตันมจี านวนนวิ เคลยี สกมั มันตรงั สีอยู่ท่ี ������0 เมอ่ื เวลาผ่านไปอีก ������1 คือเวลาผ่านไปเป็น 2������1 จากเร่ิมตน้ จานวนนิวเคลียสกัมมันตรงั สีก็จะลดลงอีกคร่ึงหนงึ่ ของจานวนท่ีเหลอื 22 ������0 ในทานองเดยี วกัน ถา้ เวลาผ่านไปเป็น 3������1 , 4������1 จากตอนเรม่ิ ตน้ กจ็ ะมจี านวน คือ จะเหลือเพียง 22 4 ������0 ������0 นิวเคลยี สกัมมนั ตรังสเี หลอื เป็น , ตามลาดบั คือ ถา้ เวลาผ่านไป ������������1 จากตอนเรมิ่ ต้น จานวนนวิ เคลยี ส 8 16 2 ������0 ของธาตุกมั มนั ตรังสีจะเหลอื อยู่ (������) เทา่ กบั เขียนไดว้ ่า 2������

5 เมอื่ เวลาผ่านไป ������ ใดๆ โดยที่ ������ มคี า่ เปน็ จานวนเตม็ ������ เท่าของ ������1 หรือ ������ = ������������1 จะมนี ิวเคลยี ส 22 เหลืออยู่ ������ โดยท่ี ������ = ������0 (20.5) 2������ จากสมการ (20.5) ถ้าพิจารณาเวลา ������ = ������1 ขณะนัน้ มีจานวนนวิ เคลยี สกมั มันตภาพรังสี ������ เทา่ กับ 2 ������0 2 ������ −������������1 = ������0 2 เม่อื แทนในสมการ (20.4) จะได้ 2 ������0 หรอื 1 = 2 ������ −������������1 = 2 2 จาก ln(������)������ = (������) จะไดว้ า่ ������������1 = ln 2 2 = 0.693 ดังน้นั ������1 = 0.693 (20.6) ������ 2 จากสมการ (20.6) แสดงวา่ ธาตกุ ัมมันตรังสที ม่ี ีคา่ คร่งึ ชวี ติ มากจะมคี า่ คงตัวการสลายน้อย กล่าวได้ว่า ค่าคงตัวของการสลายแสดงถงึ โอกาสของการสลายของนิวเคลยี สกัมมันตรงั สใี นหนง่ึ หนว่ ยเวลา เชน่ โพรแทกทิเนยี ม- 234 สลายไปเป็นยูเรเนียม-234 มีครึง่ ชีวิต 1.18 นาที และคา่ คงตัวของการสลายคานวณจาก สมการ (20.6) ได้ λ = 0.693 (1.18������������������)(60s/������������������) ≃ 1 ������−1 100 ซ่งึ หมายความวา่ ในเวลา 1 นาที โอกาสกาสลายของนวิ เคลยี สของธาตุโพรแทกทิเนยี มจะเป็น 1 ใน 100 โดยประมาณ ในทางปฏบิ ตั ินน้ั การหาจานวนนวิ เคลียสโดยตรงทาได้อย่าง ดังนั้นการศึกษาการสลายของธาตุ กมั มันตรงั สีจากสมการ (20.4) โดยตรงจึงไม่สะดวก แตถ่ ้าแทนสมการ ������ = ������0������−������������ (20.4) ลงในสมการ − ������������ = λ������ (20.2) จะได้ ������������ ������������ ������������ = −������������0������−������������ และให้ ������0 เป็นกัมมนั ตภาพขณะเร่ิมตน้ (������ = 0) ������ เปน็ กัมมนั ตภาพท่เี วลา ������ ใดๆ นบั จากเริ่มต้น

6 จะได้ ������0 = +������������0 และ ������ = − ������������ นั่นคอื ������������ (20.7) ������ = ������0������−������������ สมการ ������ = ������0������−������������ (20.7) มีรูปสมการเหมือนกับสมการ ������ = ������0������−������������ (20.4) และเน่ืองจาก กมั มนั ตภาพเป็นปรมิ าณทสี่ ามารถหาได้จากอตั ราการแตกตัวเปน็ ไอออนของแกส๊ ในเคร่ืองวดั รงั สที ่กี ลา่ ว มาแลว้ จงึ สามารถศึกษาการสลายของธาตกุ ัมมนั ตรงั สโี ดยใชส้ มการ (20.7) นอกจากนเ้ี ราอาจใชส้ มการ (20.4) และ (20.7) บอกถงึ การเปลี่ยนแปลงมวลของธาตุกมั มนั ตรงั สีท่ี เวลาขณะหนงึ่ ได้ ทั้งน้เี พราะจานวนนิวเคลียสแปรผันตรงกับมวลของธาตุ เช่น ถ้ามเี รเดยี มอยู่ 20 กรัม โดย เรเดยี มมเี วลาครึ่งชวี ิต 1620 ปี บอกไดว้ า่ หลังจากน้ีไปเป็นเวลา 1620 ปี จะมีเรเดียมเหลืออยเู่ พยี ง 10 กรัม ผสมกับธาตุทีเ่ ป็นผลจากการสลายตัว เป็นตน้ ถา้ ให้ ������0 เป็นมวลของธาตุกัมมนั ตรงั สขี ณะเร่มิ ตน้ พิจารณา ซึ่งเวลาน้ันจานวนนิวเคลยี สเป็น ������0 ������ เป็นมวลของธาตกุ มั มันตรงั สีที่เวลา ������ ใดๆ นับจากเริ่มต้น ท่ีเวลานมี้ ีจานวนิวเคลยี สเป็น ������ จะได้ ������ = ������0������−������������ (20.8) ตวั อยา่ ง 1 ธาตุกัมมันตรังสไี อโอดนี -126 มีคร่ึงชีวิต 13.3 วนั ถ้าในขณะหน่ึงไอโอดนี น้ีมีมวล 10 กรมั จงหาวา่ ก. จะตอ้ งใช้เวลานานเท่าใด จงึ จะเหลอื ไอโอดนี -126 จากการสลายเท่ากับ 2.5 กรมั ข. ถา้ เวลาผ่านไป 20 วัน จะมีไอโอดนี -126 เหลอื อยู่ก่กี รัม แนวคดิ การเปลี่ยนแปลงมวลของธาตุกัมมันตรังสีท่เี วลาขณะหนงึ่ หาไดจ้ าก ������ = ������0������−������������ ดงั น้ัน กรณีที่รู้ มวลก่อนการสลายและมวลหลังการสลาย เราสามารถหาเวลาที่ทาให้มวลเร่ิมต้นสลายจนเหลอื มวลทีก่ าหนดได้ จากสมการ สว่ นกรณีท่รี มู้ วลเรมิ่ ต้นและรู้เวลาในการเปลย่ี นแปลงมวล สามารถหามวลที่เหลือจากการสลายได้ จากสมการข้างตน้ เช่นกนั วิธที า ก. ระยะเวลาท่ีไอโอดนี กัมมนั ตรังสี 10 กรัม สลายไปบางส่วนและเหลืออยู่ 2.5 กรมั หาได้จาก สมการ (20.8) คือ ������ = ������0������−������������ โดยท่ี ������ = 2.5 g , ������0 = 10 g สาหรับ λ หาไดจ้ ากสมการ (20.6) มคี รงึ่ ชวี ติ 13.3 วนั λ = 0.693 13.3 d = 0.0521 d−1 แทนคา่ ลงในสมการ (20.8) จะได้ 2.5 g = (10g)(������−(0.0521������−1)(t)) (������−(0.0521������−1)(t)) = 4.0 ������0.0521������−1) = ln(4.0)

7 ������ = 1.386 ������ 0.0521 ������ = 26.6 d ตอบ ต้องใช้เวลา 26.6 วัน ไอโอดีน-126 จึงเหลือ 2.5 กรัม ข. การหาธาตุกมั มนั ตรังรังสีทีเ่ หลอื อยขู่ ณะเวลา ������ ใดๆ หาได้จากสมการ (20.8) คือ ������ = ������0������−������������ โดยที่ ������0 = 10 g , ������ = 20 d , ������ = 0.0521 d−1 แทนค่าลงในสมการ (20.8) จะได้ ������ = (10g)(������−(0.0521������−1)(20d)) = (10g)(������−1.0420) (������−1.0420) = 0.353 ������ = (10g)(0.353) ������ = 3.53g ตอบ เมื่อเวลาผา่ นไป 20 วัน จะมีปริมาณไอโอดนี -126เหลอื อยู่จากการสลายเทา่ กับ 3.53 กรัม 20.4 ไอโซโทป เมื่อพจิ ารณาอนกุ รมการสลายของธาตุกัมมันตรังสี พบว่า isotopes มาจากภาษากรกี นวิ เคลียสบางกลมุ่ มีเลขอะตอมเท่ากนั แต่มีเลขมวลตา่ งกนั เชน่ iso แปลว่า เหมอื นกนั อยา่ งเดียวกัน กลุ่มของยูเรเนียม มยี เู รเนียม-234 ยูเรเนยี ม-235 และยูเรเนียม-238 tope แปลวา่ สถานท่ี นิวเคลียสมเี ลขอะตอมหรือจานวนโปรตอนเท่ากนั คือ 92แต่มีจานวน isotopes หมายถึง อยูใ่ นตาแหน่งเดยี วกัน นิวตรอนในนวิ เคลยี วต่างกัน เราเรยี กนวิ เคลยี สท่ีมจี านวนโปรตอน ในตารางธาตุ กลา่ วคอื เป็นธาตเุ ดยี วกัน เท่ากัน แต่จานวนนวิ ตรอนต่างกนั วา่ ไอโซโทป (isotopes) ของธาตุเดยี วกัน ไอโซโทปของธาตุมชี นิดท่ไี ม่เสถียรเรยี กวา่ ไอโซโทปกัมมันตรงั สี (radioisotopes) และชนดิ ทีไ่ ม่มี การสลายตอ่ ไปเรียกว่า ไอโซโทปเสถยี ร (stable isotopes) เช่น ไอโซโทปของตะกวั่ มีหลายชนิด เป็น ไอโซโทปเสถียร 4 ชนดิ คือ ตะก่วั -204 ตะกั่ว-206 ตะกว่ั -207 และตะกวั่ -208 ไอโซโทปกัมมนั ตรงั สี เชน่ ตะกวั่ -210 และตะก่ัว-214 สาหรับธาตุบางธาตมุ แี ต่ไอโซโทปกมั มนั ตรังสีเทา่ นนั้ เน่ืองจากไอโซโทปของธาตุเดียวกนั มแี ลขอะตอมเท่ากนั แต่เลขมวลต่างกัน จึงมีคณุ สมบตั ทิ างเคมี เหมอื นกนั แตส่ มบัติทางกายภาพตา่ งกัน ดงั น้ันการวเิ คราะห์ไอโซโทปของธาตชุ นิดจึงไม่สามารถกระทาได้โดย อาศยั ปฏิกริ ิยาเคมี เน่ืองจากไอโซโทปมีคุณสมบตั ติ ่างกนั เช่น มีมวลตา่ งกนั การวเิ คราะห์ไอโซโทปจึงสามารถ กระทาได้โดยจาแนกมวล มวลของไอโซโทปของธาตชุ นิดเดียวกันมีความแตกตา่ งกันน้อยมาก การวเิ คราะห์ ไอโซโทปจึงต้องใช้เคร่ืองมือท่ีสามารถวัดมวลได้ละเอียดมาก โดยใช้เครอื่ งมือ แมสสเปกโทรมิเตอร์ (mass spectrometer) ในการหามวล

8 รปู 20.14 สว่ นประกอบท่ีสาคญั ของแมสสเปกโทรมเิ ตอร์ แมสสเปกโทรมิเตอร์เป็นเคร่ืองมือท่ีใช้วิเคราะห์มวลอะตอมของธาตตุ า่ งๆ โดยอาศยั หลกั การเคล่อื นที่ ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในสนามแมเ่ หลก็ และสนามไฟฟ้า สว่ นประกอบทีส่ าคญั ของแมสสเปกโทรมิเตอร์ คอื สว่ นเร่งอนุภาค ส่วนคัดเลือกความเร็ว และส่วนวิเคราะห์ ส่วนเร่งอนุภาคมหี นา้ ท่ีทให้ไอโซโทปทีเ่ ป็นแกส๊ กลาย สภาพเป็นอนุภาคท่มี ีประจุไฟฟา้ จากนนั้ อนภุ าคจะถูกเร่งโดยใช้สนามไฟฟ้าให้พุง่ ผ่านเข้าไปยงั ส่วนคัดเลือก ความเร็ว ประกอบดว้ ยบริเวณที่มีสนามไฟฟ้า ������ และสนามแม่เหล็ก ������ ซ่ึงมีทิศทางต้ังฉากกนั และตง้ั ฉากกับ ทิศทางการเคล่ือนท่ีของอนุภาคท่ผี า่ นเข้ามา ดงั รปู 20.15 ดงั น้นั แรงท่ีกระทากบั อนุภาคเนือ่ งจากสนามทัง้ สอง จงึ มที ิศทางตรงข้าม รูป 20.15 หลกั การทางานของสว่ นคดั เลอื กความเร็ว ถ้าอนภุ าคมีความเร็วพอเหมาะ ขนาดของแรงเน่อื งจากสนามท้ังสองจะมีคา่ เท่ากนั และมีทิศทางตรง ข้าม จึงทาใหเ้ กดิ สมดุลของแรง มผี ลให้อนุภาคเคลื่อนทต่ี ่อไปโดยไม่เปลย่ี นแนวการเคลื่อนที่ และพุ่งตรงไป ผา่ นชอ่ งเปิดอีกช่องหนง่ึ ได้ ส่วนอนุภาคท่ีมีความเรว็ ต่างไปจากค่าท่ีพอเหมาะ มีแนวทางการเคลื่อนที่เบี่ยงเบน ไปทาให้ไมส่ ามารถผา่ นช่องน้ีไปได้

9 ถ้าใหอ้ นภุ าคซึง่ มีประจุ +������ เคลื่อนทผี่ า่ นช่องเปิดที่หนึ่งเข้ามาในบรเิ วณทีม่ ีสนามไฟฟ้า ������ และ สนามแม่เหลก็ ������ มอี ตั ราเร็วเท่ากบั ������ เมอ่ื เกิดสมดงุ จะไดว้ ่า ������������������ = ������������ ������ หรือ ������ = ������ สามารถหาอัตราเร็ว ������ ไดจ้ ากอัตราส่วนของขนาดสนามไฟฟ้าและขนาดสนามแมเ่ หล็กในบริเวณสว่ น คดั เลือกความเรว็ ดังนั้นกลุม่ อนภุ าคทีม่ ีอัตราเรว็ น้จี ะเคลอ่ื นท่เี ขา้ สสู่ ว่ นวิเคราะห์ ซ่ึงมีสนามแมเ่ หล็ก ������′ ท่มี ี ทิศทางตั้งฉากกับแนวการเคล่ือนท่ีของอนุภาค ทาใหเ้ กดิ แรงเนื่องจากสนามแมเ่ หล็กบงั คับใหอ้ นภุ าคที่มมี วล ตา่ งกันเคล่ือนท่ีเปน็ แนวโคง้ รปู วงกลมท่ีมรี ัศมีตา่ งกัน ดงั รปู 20.16 รปู 20.16 ส่วนวิเคราะห์ซึ่งไอโซโทปมวลตา่ งกนั จะเคลื่อนทดี่ ว้ ยรศั มีต่างกนั จากการเคลอ่ื นท่ีของอนุภาคทมี่ มี วลตา่ งกนั จะเคล่ือนท่ีเป็นแนวโค้งรูปวงกลมทีม่ ีรัศมตี า่ งกัน เมื่อ อนุภาคกระทบแผ่นฟิลม์ บนั ทึกภาพจะทาให้เกดิ รอยดา ถา้ ������ เป็นรศั มีความโคง้ ชองวงกลม ������ เป็นมวลของ อนภุ าค และ ���́��� เปน็ สนามแม่เหล็กในบรเิ วณนี้ จะได้ ������������������′ = ������������2 ������ ������������′������ ������ = ������ เนอื่ งจาก ������ = ������ ������ จะได้ ������ = ������������������′ ������ (20.9) ������ สมการ (20.9) แสดง มวลของอนภุ าคแปรผนั ตรงกบั งของแตล่ ะรัศมีความโคง้ และเน่ืองจากมวลของ แตล่ ะไอโซโทปแตกตา่ งกนั ดังนน้ั รศั มคี วามโค้งของแตล่ ะไอโซโทปจะแตกต่างกัน การวัดรัศมจี ึงเปน็ หลกั การที่ เครอ่ื งมือวิเคราะห์ไอโซโทปได้ การวิเคราะหผ์ ล ������, ������, ������′, ������ เป็นค่าท่ไี ด้จากการทดลอง และ ������ คือประจุไฟฟา้ ของอนภุ าค ดังนัน้ สามารถหามวล ������ ได้ วิธนี สี้ ามารถหามวลอะตอมของธาตุตา่ งๆ ได้ มวลอะตอมของไอโซโทปบางชนิดแสดง ในตาราง 20.4

10 ตาราง 20.4 มวลอะตอมของธาตบุ างธาตุ

11 ตาราง 20.4 มวลอะตอมของธาตุบางธาตุ หมายเหตุ ธาตทุ ่ีไม่ไดร้ ะบุปรมิ าณในธรรมชาตเิ ป็นธาตุกรรมมนั ตรังสี มวลของโปรตอน(������������) นวิ ตรอน (������������) แบะอเิ ล็กตรอน (������������−) มคี า่ ดงั นี้ ������������ = 1.007276������ , ������������ = 1.008665������ , ������������− = 0.000549������ โดยท่ี 1������ = 1.660540 × 10−27kg = 931.494 Me ������⁄������2

20.5 เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส 12 จากสมมติฐานเรื่องโครงสร้างของนวิ เคลียส ทาใหท้ ราบ องค์ประกอบของนวิ เคลียส คอื โปรตอน และนิวตรอน ปัญหา คือ เหตุใดอนุภาคเหล่านี้จงึ รวมกนั อยู่เปน็ นิวเคลียสได้ท้ังๆ ที่มีแรงผลักทางไฟฟ้าระหว่าง โปรตอน และมแี รงอะไรในนิวเคลยี สท่ียึดอนภุ าคเหล่านี้ไว้ 20.5.1 แรงนวิ เคลียร์ การทดลองเรอ่ื งการกระเจิงของอนุภาคแอลฟาโดยรทั เทอร์ฟอรด์ ทาให้ทราบว่า นวิ เคลียสมปี ระจุ ไฟฟา้ บวก ยงั พบว่าอนุภาคแอลฟาสามารถเข้าใกล้นวิ เคลยี สของทองคาได้มากท่สี ดุ ทร่ี ะยะ 3 × 10−14 เมตร เพราะมแี รงระหว่างไฟฟา้ ผลักอนภุ าคแอลฟาไว้ นักฟิสกิ ส์จึงไมส่ ามารถหาขนาดแท้จริงของนวิ เคลียสจากการ ทดลองน้ีได้ การท่จี ะให้อนภุ าคเคลือ่ นทีถ่ งึ นวิ เคลยี สได้นน้ั อนุภาคที่ใช้ต้องไมม่ ปี ระจุไฟฟ้า และจากการ ทดลองของนักวทิ ยาศาสตร์หลายวิธสี ามารถสรปุ ไดว้ ่า นิวเคลยี สมีลักษณะเป็นทรงกลม และขนาดของ นวิ เคลยี สขึ้นอยู่กับจานวนนวิ คลอี ออนในนวิ เคลยี ส ดังน้ี ถ้าให้ ������ เปน็ รศั มขี องนวิ เคลียสทีม่ เี ลขมวล ������ จะได้ ������ ∝ ������1⁄3 หรือ ������ = ������0������1⁄3 ทาใหท้ ราบว่า ไฮโดรเจนมีเลขมวล 1 มีรศั มขี องนวิ เคลยี สเท่ากบั 1.2 × 10−15 เมตร สว่ นทองทามี เลขมวล 197 รศั มขี องนิวเคลียสเท่ากบั 7.0 × 10−15 เมตร จะไดว้ ่า รศั มีของนวิ เคลยี สทงั้ หลายมี ค่าประมาณ 10−15 เมตร ดังนนั้ นิวเคลียสจึงมขี นาดเล็กกวา่ อะตอมประมาณแสนเท่า นวิ เคลียสมขี นาดเลก็ มาก ทาให้โปรตอนกับโปรตอนในนิวเคลยี สอยใู่ กลก้ นั มากเปน็ ผลให้แรงผลกั ไฟฟ้าระหวา่ งโปรตอนกบั โปรตอนในนิวเคลยี สมีค่าสูงมาก แรงยงั มคี า่ มากกวา่ แรงดึงดดู ระหว่างมวลมาก ดังน้ัน การท่นี ิวคลีออนสามารถยึดกนั อยูใ่ นนิวเคลยี สได้จะต้องมีแรงดึงดดู อกี ประเภทหนงึ่ กระทาระหว่าง นิวคลอี อน แรงดังกลา่ วนต้ี อ้ งเปน็ แรงดึงดดู และมีคา่ มากกว่าแรงผลักระหวา่ งประจุไฟฟ้า แรงนีเ้ รยี กว่า แรงนิวเคลยี ร์ (nuclear force) พิจารณาความหนาแนน่ ของนิวเคลียส เนอื่ งจากนวิ เคลียสมีรศั มีประมาณ 10−15 เมตร หรือมี ปรมิ าตรประมาณ 10−45 ลกู บาศกเ์ มตร และมีมวลประมาณ 10−75 กิโลกรมั ดังนั้นความหนาแน่นของ นวิ เคลยี สจะมคี ่าประมาณ 1018 กิโลกรมั ตอ่ ลูกบาศกเ์ มตร ความหนาแนน่ เมื่อเทยี บกับความหนาแนส่ งู สุด ของออสเมยี ม เป็นธาตทุ ่ีมีความหนาแน่นมากท่สี ุด คือ 2.25 × 104 กโิ ลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร จะเห็นว่า ความหนาแนน่ ของนวิ คลีออนในนวิ เคลียสอดั ตัวกันอยู่อยา่ งหนาแน่นมาก ดงั นนั้ แรงนิวเคลียร์ตอ้ งมคี ่า มหาศาล

13 ตวั อย่าง 2 จงคานวณรัศมแี ละความหนาแนน่ ของนวิ เคลียส 21868������������ แนวคดิ การหารัศมีของนิวเคลียสหาไดจ้ ากสมการ ������ = ������0������1⁄3 เมือ่ ได้ค่ารศั มีของนิวเคลยี สแล้ว สามารถนาคา่ รัศมีไปหาปรมิ าตรของนิวเคลียสเพ่อื ท่ีจะไดน้ าค่าปรมิ าตรไปคานวณหาความหนาแน่ของ นวิ เคลยี สจากสมการ ρ = ������ ������ วิธีทา จากสมการ ������ = ������0������1⁄3 แทนคา่ จะได้ ������0 = 1.2 × 10−15 m ������ = 126 ������ = (1.2 × 10−15m)(216)1⁄3 = (1.2 × 10−15)(6) ������ = 7.2 × 10−15 หาความหนาแนน่ จากสมการ ρ = ������ ������ ������ = 88������������ + 128������������ = (88 × 1.007276������ + 128 × 1.008665������) = (217.749408������)(1.660540 × 10−27 kg⁄u) m = 361.582 × 10−27 kg ������ ==34(���34���)������(33.1416)((7.2 ×)3 = 1.56 × 10−42m3 แทนค่า m และ ������ ลงในสมการ ρ = ������ ������ 361.582×10−27������������ จะได้ ρ = 1.56×10−42 ������3 = 2.32 × 1017 kg⁄m3 ตอบ นวิ เคลยี สของ 21868������������ มีรัศมีเทา่ กบั 7.2 × 10−15 เมตร และความหนาแน่นเท่ากับ 2.32 × 1017 kg⁄m3 กิโลกรัมตอ่ ลูกบาสกเ์ มตร \\

14 20.5.2 พลังงานยึดเหนีย่ ว การศึกษาโครงสรา้ งของอะตอม พบวา่ การท่อี ิเล็กตรอนไม่สามารถหลุดออกจากวงโคจรรอบ นิวเคลียสไดเ้ นอ่ื งจากมแี รงดงึ ดูดระหว่างประจบุ วกของนิวเคลยี สและประจลุ บของอิเล็กตรอน นอกจากนยี้ ัง พบวา่ ในกรณขี องไฮโดรเจนอะตอม ถา้ ให้พลังงาน 13.6 MeV แกอ่ ิเล็กตรอน อิเลก็ ตรอนกจ็ ะหลดุ ออกจาก อะตอมได้ และพลังงานนี้เกยี่ วข้องโดยตรงกบั แรงท่ยี ดึ อิเล็กตรอนไวก้ ับนิวเคลียส ดังนั้นในการศึกษาธรรมชาติ ของแรงนวิ เคลยี ร์นน้ั วิธีหน่งึ ทส่ี ามารถทาได้ คือ ให้พลงั งานแก่นวิ เคลียสเพื่อให้นวิ คลีออนแยกออกจากกนั พลงั งานที่พอดีทาใหน้ ิวคลีออนแยกออกจากกนั หมดเรียกว่า พลงั งานยดึ เหน่ยี ว (binding energy) อนภุ าคดิวเทอเรียมก็คือนวิ เคลียสของดวิ เทอเรียม เป็นอนุภาคทปี่ ระกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน อย่างละ 1 ตัว สามารถหาพลังงานยดึ เหนยี่ วของดวิ เทอเรยี มไดโ้ ดยการฉายรงั สีแกมมาไปกระทบดิวเทอรอน พบว่ารงั สแี กมมาต้องมีพลังงานไมน่ ้อยกวา่ 2.22 MeV จึงทาใหด้ วิ เทอรอนแยกออกเป็นโปรตอนและนวิ ตรอน ได้ คอื พลังงานยึดเหน่ียวของดวิ เทอรอน มีค่าถึง 2.22 MeV จากตาราง 20.4 ซึ่งแสดงมวลอะตอมของธาตุ เราสามารหามวลของดวิ เทอรอนได้ โดยหักมวลของ อเิ ลก็ ตรอน 1 ตัว ออกจากมวลของดิวเทอเรยี มดังน้ี มวลของดวิ เทอรอน = มวลของดวิ เทอเรียม - มวลของอเิ ล็กตรอน 1 ตวั = 2.014102 u – 0.000549 u = 2.013553 u สาหรับผลรวมของมวลโปรตอนและนิวตรอนในดวิ เทอเรยี มทาได้ดงั น้ี ผลรวมของมวลโปรตอนและนวิ ตรนในดิวเทอเรียม = มวลของโปรตอน 1 ตัว + มวลของนิวตรอน 1 ตวั = 1.007276u + 1.008665u = 2.015941u สาหรบั มวล 1u มคี า่ 1.660540 × 10−27 กิโลกรัม พลงั งานทเี่ ทียบเท่ากับมวลน้ี หาได้โดยใช้สมการ ������ = ������������2 พลงั งานทเ่ี ทยี บเทา่ กบั มวล 1������ = (1.660540 × 10−27kg)(2.99792108 m⁄s)2 = 1.492419 × 10−10J เนื่องจากพลงั งาน 1 MeV มีค่าเทา่ กับ = 1.602177 × 10−13J ดังนัน้ พลังงาน 1.492419 × 10−10J จะมีค่าเทา่ กับ (1MeV)(1.492419×10−10J) = 931.4945������������������ 1.602177×10−13 J เพ่ือความสะดวกเรามกั ใชค้ ่า 931.5 MeV เป็นพลังงานทเ่ี ทียบเทา่ กับมวล 1u

15 จะเห็นว่า เม่ือโปรตอนและนิวตรอนรวมตวั กันเป็นดิวเทอรอนน้นั จะมีมวลหายไปเทา่ กบั 2.015941u-2.013553u=0.002388u มวลท่ีหายไปเรยี กวา่ ส่วนพร่องมวล (mass defect, ∆������) ถา้ ใช้ความสมั พันธ์ระหวา่ งมวล ������ และพลังงาน ������ ของไอนส์ ไตน์ทว่ี ่า ������ = ������������2 เมื่อ ������ เป็นอตั ราเร็วของ แสงในสญุ ญากาศ เราสามารถหามวลท่หี ายไป ∆������ เทยี บได้กับพลงั งาน ∆������ ไดด้ ังนี้ ������ = (∆m)������2 = (0.002388������)(931.5Me ������⁄������) = 2.2MeV น่ันคือพลงั งานทเี่ ทยี บกบั มวลทหี่ านไป 0.002388u มีค่าเท่ากบั 2.2 MeV ก็คือ พลงั งานของรังสี แกมมาทีใ่ ชใ้ นการทาให้ดวิ เทอรอนแตกตัวเปน็ โปรตอนและนิวตรอน แสดงใหเ้ ห็นวา่ เราสามารถคานวณหา พลังงานยึดเหนี่ยวได้จากส่วนพร่องมวล ในทางกลับกันนกั วิทยาศาสตร์ได้พบว่า ถา้ ยิงนิวตรอนไปชนนิวเคลียสของไฮโดรเจน จะได้ดิวเทอรอน และรังสีแกมมาทม่ี ีพลงั งาน 2.2 MeV ผลการทดลองแสดงให้เหน็ วา่ พลังงานท่ใี หใ้ หด้ ิวเทอรอนแตกตวั เป็น ดวิ เทอรอน มีคา่ เท่ากับพลังงานทป่ี ล่อยออกมา เมื่อโปรตอนกับนวิ ตรอนรวมตวั กนั เปน็ ดิวเทอรอน ผลการ ทดลองท้ังสองน้ีสนบั สนุนความสัมพันธ์ระหวา่ งมวลกบั พลงั งานของไอน์สไตน์ ในการคานวณหาส่วนพรอ่ งมวลหรอื พลงั งานยึดเหน่ยี วของธาตุต่างๆ คานวณโดยใชม้ วลอะตอมของ ของธาตุแทนมวลของนวิ เคลยี ส และใช้มวลอะตอมของไฮโดรเจนแทนมวลของโปรตอนเป็นผลให้มวล อเิ ล็กตรอนถกู หักลา้ งไป เชน่ ในกรณีคารบ์ อน-12 ซ่งึ อะตอมของธาตุประกอบด้วยโปรตอน 6 ตวั อิเล็กตรอน 6 ตัว และนิวตรอน 6 ตัว ผลรวมของมวลองค์ประกอบของคาร์บอนของคาร์บอน-12 หาไดจ้ ากผลรวมของ มวลอะตอมของไฮโดรเจน 6 ตวั กับมวลของนิวตรอน 6 ตัว ดังนี้ มวลอะตอมของไฮโดรเจน มีค่า 1.007825u มวลนวิ ตรอน มีค่า 1.008665u มวลองค์ประกอบของคารบ์ อน-12 = มวลนิวคลีออน + มวลอิเล็กตรอน = (มวลโปรตอน 6 ตวั + มวลนิวตรอน 6 ตัว) + มวลอิเลก็ ตรอน 6 ตวั = (มวลโปรตอน 6 ตัว + มวลอิเลก็ ตรอน 6 ตวั ) + มวลนิวตรอน 6 ตวั = มวลอะตอมไฮโดรเจน 6 ตัว + มวลนวิ ตรอน 6 ตวั = (6)(1.007825u) + (6)(1.008665u) = 12.098940u มวลอะตอมของคารบ์ อน-12 มีคา่ 12.000000u ดังน้ัน ส่วนพรอ่ งมวลของคาร์บอน-12 ∆������ = (มวลองค์ประกอบของคาร์บอน-12) - (มวลอะตอมของคารบ์ อน-12) = 12.098949u + 12.000000u = 0.098940 u พลังงานทเี่ ทียบกบั มวลทีห่ ายไป คอื พลงั งานยึดเหนย่ี ว

16 พลงั งานยดึ เหนย่ี ว = (0.098940u)(931.5MeV/u) = 92.16 MeV สาหรบั คารบ์ อน-12 พลังงานยึดเหน่ยี วมีค่าเป็น 92.16 เมกะอเิ ลก็ ตรอนโวลต์ ในการคานวณขา้ งต้น พจิ ารณาผลต่างของมวลอะตอมจากตา่ งราง 20.4 จะเทา่ กับผลต่างของมวล ของนิวเคลยี สพอดี เพราะมวลของอเิ ล็กตรอนในอะตอมหักล้างกนั ไปหมดแล้ว ดังนัน้ พลงั งานท่ีเทยี บเท่ากับ มวลทีห่ ายไปจึงหมายถึงพลังงานยึดเหนีย่ วของนวิ คลีออนในนิวเคลียสนนั้ ๆ จึงสามารถหาส่วนพรอ่ งมวลไดจ้ าก สว่ นพร่องมวลของอะตอม = มวลองคป์ ระกอบของอะตอม – มวลอะตอม = (มวลของอะตอมไฮโดรเจน Z ตัว) + (มวลนิวตรอน (A-Z) ตัว) - (มวลอะตอม) ตัวอยา่ ง 3 จงหาพลังงานยึดเหนี่ยวของ ก. 168O, ข. 1357Cl, ค. 2555Mn แนวคิด พลงั านยดึ เหน่ยี วเท่ากบั พลงั งานทเ่ี ทยี บเท่าสว่ นพร่องมวล โดยส่วนพร่องมวลหาได้จากสว่ นพร่อง มวลของมวลอะตอม = มวลองคป์ ระกอบของอะตอมข – มวลอะตอม วธิ ที า ก. ส่วนพร่องมวลของอะตอม 168O = มวลองค์ประกอบของ 168O - มวลอะตอม 168O หรอื ∆������ = (8������������ + 8������������ + 8������������) − ������������−16 = [8(1.007276������) + 8(1.008665u) + 8(0.000549u)] − 15.99491������ = 0.137005 ������ พลงั งานยดึ เหนย่ี ว = พลังงานท่ีเทียบเทา่ ส่วนพร่องมวล = (0.137005u)(931.5 MeV⁄u) = 127.62015 MeV ข. สว่ นพรอ่ งมวลของอะตอม 3175Cl = มวลองค์ประกอบของ 1375Cl - มวลอะตอม 3175Cl หรือ ∆������ = (17������������ + 18������������ + 17������������) − ������������������−35 = [17(1.007276������) + 18(1.008665u) + 17(0.000549u)] − 34.968853������ = 0.137005 ������ พลังงานยึดเหน่ียว = พลังงานทเ่ี ทยี บเทา่ ส่วนพร่องมวล = (0.320142u)(931.5 MeV⁄u) = 298.21227 MeV ค. สว่ นพรอ่ งมวลของอะตอม 2555Mn = มวลองคป์ ระกอบของ 5255Mn - มวลอะตอม 2555Mn หรือ ∆������ = (25������������ + 30������������ + 25������������) − ������������������−55 = [25(1.007276������) + 30(1.008665u) + 25(0.000549u)] − 54.938048������ = 0.137005 ������ พลงั งานยดึ เหนยี่ ว = พลังงานที่เทยี บเท่าสว่ นพร่องมวล = (0.517527u)(931.5 MeV⁄u) = 482.0764 MeV ตอบ ก. พลังงานยดึ เหนี่ยวของ 168O เทา่ กับ 127.6 เมกะอเิ ล็กตรอนโวลต์ ข. พลังงานยดึ เหนยี่ วของ 1357Cl เทา่ กบั 298.2 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ ค. พลงั งานยดึ เหนย่ี วของ 5255Mn เทา่ กับ 482.1 เมกะอเิ ล็กตรอนโวลต์

17 จากการคานวณพลงั งานยดึ เหน่ียวของธาตุต่างๆ พบวา่ พลังงานยดึ เหนย่ี วมคี ่ามากข้นึ เม่ือจานวนนิวคลีออนใน นวิ เคลยี สมากขน้ึ ดงั กลา่ วกราฟในรปู 20.17 รูป 20.17 กราฟแสดงความสัมพนั ธร์ ะหว่างพลงั งานยึดเหน่ียวของนิวเคลยี สกบั เลขมวล กลา่ วไดว้ ่าพลังงานยดึ เหนี่ยวขนึ้ กับจานวนคลนี วิ ออน ในการคานวณพลงั งานยดึ เหนย่ี ว ถา้ ต้ังสมมติฐานว่า นวิ คลีออนแตล่ ะตัวส่งแรงนิวเคลยี ร์กระทาต่อนวิ คลีออนอืน่ ๆ ทีเ่ หลือทั้งหมดผลทจ่ี ะ แตกตา่ งไปจากราฟในรูป 20.17 มาก แต่ถา้ คิดวา่ มแี รงนิวเคลียร์กระทาระหวา่ งนวิ คลีออนท่ีอยตู่ ิดกนั แลว้ ผล การคานวณจะตรงกับกราฟในรูป 20.17 จึงสรุปไดว้ า่ แรงนิวเคลียรเ์ ป็นแรงทกี่ ระทาในช่วงระยะทางส้ันๆ กระทาระหวา่ งนวิ คลอี อนที่อย่ตู ิดกนั เท่านนั้ ดงั รปู 20.18 รปู 20.18 แรงนวิ คลเี คลียร์เป็นแรงท่กี ระทาในระยะสั้นๆ และกระทาระหวา่ งนวิ คลีออนท่ตี ดิ กันเท่านน้ั เน่ืองจากนิวเคลยี สของแต่ละธาตุมีจานวนนวิ คลีออนต่าง ดังนนั้ ในการเปรยี บเทียบว่านวิ เคลยี สใดมี เสถียรภาพอยา่ งไร มีโอกาสแตกตัวหรือเปลย่ี นไปเป็นนวิ เคลียสอ่นื ได้มากนอ้ ยเพยี งใด จงึ ตอ้ งพจิ ารณาจาก พลังงานยดึ เหนย่ี วต่อนวิ คลีออน เพราะพลังงานคานวณหาไดจ้ ากการหารพลังงานยดึ เหนีย่ วของนวิ เคลียสด้วย จานวนนวิ คลีออนของนิวเคลียสนั้น เชน่ คารบ์ อน-12 จะมีพลงั งานยึดเหน่ยี วต่อนิวคลีออนเท่ากบั 92.16MeV 12 หรอื 7.68MeV เป็นต้น โดยธาตุท่มี ีพลังงานยึดเหนีย่ วต่อนวิ คลีออนสูงกวา่ จะเถียรภาพมากกวา่ พลังงานยึด เหนีย่ วต่อนิวคลอี อนจะเปลีย่ นไปตามเลขมวลดังกราฟในรูป 20.19 จะเหน็ ว่าธาตทุ ่มี ีเลขมวลนอ้ ย เชน่ ดวิ เทอเรียม พลงั งานยึดเหน่ียวตอ่ นวิ คลอี อนมคี ่าน้อย และธาตทุ มี่ เี ลขมวลมาก เช่น ฮเี ลียม

18 พลังงานยึดเหนีย่ วต่อนิวคลีออนจะเพ่ิมข้นึ อยา่ งรวดเร็ว และธาตใุ นชว่ งที่มีเลขมวลระหวา่ ง 50-90 พลงั งานยดึ เหนย่ี วตอ่ นวิ คลอี อนจะมีคา่ ค่อนข้างคงตัว และเมื่อเลขมวลมคี า่ เกินช่วงนี้ พลังงานยึดเหนี่ยวตอ่ นิวคลอี อนก็ จะค่อยๆ ลดลง สรปุ ไดว้ า่ ในช่วงทเี่ ลขมวลมคี ่าระหวา่ ง 50-90 พลงั งานยดึ เหนยี่ วต่อนวิ คลีออนมีคา่ สูงสุด รปู 20.19 กราฟแสดงความสัมพันธร์ ะกวา่ งยดึ เหนีย่ วต่อนวิ คลีออนกับเลขมวล จากกราฟจะเหน็ ไดว้ ่า เหลก็ Fe56 มีพลงั งานยึดเหนีย่ วต่อนิวคลีออนเท่ากบั 8.8 MeV ในขณะท่ี ยเู รเนียม U235 มีค่าพลังงานเทา่ กับ 7.6 MeV แสดงวา่ การทาให้นิวเคลียสเหล็กแตกตวั เป็นนิวคลอี อนทาได้ ยากกว่ายเู รเนียม น่นั คอื เหลก็ มีเสถียรภาพสงู กวา่ ยูเรเนยี ม ตวั อยา่ ง 4 จงหาพลังงานยึดเหนย่ี วต่อนิวคลอี อนของธาตุ 22868Ra กาหนดให้ มวลอะตอมของเรเดยี ม (22865Ra) เท่ากับ 226.025402u มวลอะตอมของไฮโดรเจน (11H) มีคา่ 1.00782u มวลนวิ ตรอน มีค่า 1.858968 u วธิ ีทา อะตอมของ 22868Ra มีเลขมวล Z= 88 และ A-Z = 226-88 = 138 สว่ นพรอ่ งมวล = มวลอะตอมของไฮโดรเจน Z ตัว + มวลนิวตรอน (A-Z) ตวั - มวลอะตอมของเรเดยี น หรอื ∆������ = (88������������ + 138������������) − ������������������ = (88)(1.007825u) + (138)(1.008665u) − 226.025402u = 1.858968 ������ ∆������ เม่ือคดิ เป็นพลังงานมีค่า = (1.858968u)(931.5 MeV⁄u) = 1731.63MeV แต่ 22868������������ มจี านวน 226 นวิ คลอี อน ดงั นั้น พลงั งานยดึ เหนี่ยวต่อนิวคลีออนมคี ่า = 1731.63 MeV 226 = 7.66 MeV ตอบ พลงั งานยดึ เหนี่ยวต่อนวิ คลีออนของ 22868������������ มคี ่า 7.66 เมกะอเิ ล็กตรอนโวลน์

20.6 ปฏกิ ิริยานวิ เคลยี ร์ 19 การเปล่ียนสภาพนิวเคลยี สท่ีจะเห็นไดว้ า่ นิวเคลยี สอาจมที ั้งการสลายเป็นนิวเคลยี สใหม่ และแตกตวั เป็นนวิ คลีออนได้ เช่น การแตกตวั ของดิวเทอรอนออกเป็นโปรตอนและนิวตรอนเมื่อได้รับพลังงาน 2.22 MeV การยิงอนภุ าคแอลฟาให้พงุ่ ชนนวิ เคลยี สของไนโตรเจนแลว้ ทาเกดิ นวิ เคลียสของออกซิเจนและโปรตอน การ สลายของยเู รเนยี ม-238 ไปเป็นทอเรยี ม-234 และอนุภาคแอลฟา เป็นต้น กระบวนการที่นิวเคลียส เปลยี่ นแปลงองค์ประกอบ เรียกว่า ปฏกิ ิรยิ านวิ เคลียร์ (nuclear reaction) ปฏิกริ ิยานวิ เคลยี ร์ข้างต้นสามารถเขยี นเปน็ สมการได้ตามลาดับดังน้ี 21H + γ → 11H + 10n ; γ มีพลงั งาน 2.22 MeV 147N + 42He → 178O + 11H 23982U → 23940Th + 42He ในทุกสมการปฏิกิริยานวิ เคลยี ร์ (a, b) ของนวิ เคลียส X เช่นปฏิกิริยา 147N + 42He → 178O + 11H เขยี นไดเ้ ป็น 147N(α, p)178O และจะเรยี กปฏิกิริยา ผลรวมของเลขอะตอมทั้งกอ่ นและหลงั เกิดปฏกิ ิรยิ า จะต้องเท่ากนั แสดงว่าระจุไฟฟ้ารวมมีค่าคงตัว และผลรวมของเลขมวลกอ่ นและหลงั เกิดปฏกิ ริ ิยาก็จะตอ้ ง เทา่ กันด้วย ซงึ่ แสดงวา่ จานวนนวิ คลอี อนรวมก่อนและหลังเกดิ ปฏิกิริยาจะต้องคงตัว การชนระหวา่ งนิวเคลยี สกับนิวเคลยี ส หรอื ระหว่างนวิ เคลียสกับอนุภาค เขียนปฏิกริ ยิ าได้เป็น X + a → Y + b หรือเขยี นได้อกี แบบหนึ่งเป็น X(a, b)Y โดยท่ี X แทนนวิ เคลียสท่เี ป็นเปา้ A แทนอนภุ าคทุ่งเข้าชนเป้า B แทนอนุภาคทเ่ี กิดข้ึนใหมห่ ลงั การชน Y แทนนวิ เคลียสของธาตุใหม่ท่เี กิดข้นึ หลงั การชน เรียกปฏิกิรยิ าน้ีวา่ ปฏกิ ิริยา (a, b) ของนิวเคลียส X เช่น 147N + 42He → 178O + 11H เขียนไดเ้ ปน็ 147N(α, p)178O และจะเรยี กปฏิกิริยา (������, p) ของ 147N จะเหน็ วา่ ปฏิกริ ยิ านิวเคลียร์ที่เสนอมานนั้ มที ้ังการสลายทเ่ี กิดขน้ึ เองของธาตุกัมมนั ตรงั สี และการ แตกตวั ของธาตเุ สถียรเมื่อมีอนุภาคมาชน ปฏิกิริยาประเภทหลงั มีความสาคญั ตอ่ การศึกษาองคป์ ระกอบของ นิวเคลียสมาก เพราะทาใหท้ ราบว่าโปรตอนและนวิ ตรอนเป็นองค์ประกอบของนวิ เคลียส ยงั มคี วามสาคัญอน่ื ๆ อีก คือ ทาให้สามารถผลลิตไอโซโทปกัมมนั ตรังสที ่ีไม่มีในธรรมชาติได้ เช่น ถ้าพิจารณาตาราง 20.4 ทีบ่ อกมวล ของนิวเคลียสของธาตตุ ่างๆ จะเหน็ วา่ ไม่มีไอโซโทปของธาตุบางธาตุ เช่น 17987Pt, 21802Pb, 23932U แต่จากการศึกษาพบว่า สามารถผลิตไอโซโทปที่ไม่มใี นธรรมชาติขนึ้ มา เชน่ 17987Pt เกิดจากการยิงนิวตรอนไป ชนแพลทินมั -196 ดงั สมการ 17986Pt + 01n → 17987Pt + γ โดย 17987Pt จะปล่อยตอ่ ไปเปน็ 19779Au และจะปล่อยรงั สีบตี าออกมา เพราะครง่ึ ชวี ิต 17987Pt เท่ากับ 20 ชว่ั โมง ปจั จุบนั มกี ารผลติ ไอโซโทปกัมมนั ตรังสีมาใชแ้ ลว้ อาจนาปฏกิ ิรยิ านิวเคลียรม์ าใช้ในการสรา้ ง นิวเคลียสของธาตใุ หม่ เช่น ทาปรอทให้เปน็ ทองคา ดงั นี้ 17986Pt + 21H → 19779Au + 01n

20 18909Hg + 21H → 19779Au + 24He 18908Hg + 01n → 19779Au + 12H 18908Hg + γ → 19779Au + 11H ปฏิกริ ยิ าเหล่านี้จะเกดิ ขึน้ ได้ต้องยิงอนภุ าคท่ีมีพลงั งานสูงมากพงุ่ ชนนิวเคลียสท่ีเปน็ เป้า และในการเรง่ อนภุ าคให้มีพลงั งานสงู พอท่จี ะเกิดปฏิกิริยาดงั กลา่ วต้องเสียค่าใชจ้ ่ายสงู เมื่อเปรียบเทียบคา่ ใชจ้ า่ ยในการผลิต กบั มลู ค่าของทองคาทผ่ี ลติ ได้แลว้ พบว่าไม่คุ้มกับการลงทุนผลิตอยา่ งไรกต็ ามปฏิกิริยานวิ เคลียรท์ ัง้ 4 ชใี้ หเ้ หน็ ว่าความฝันของนักเล่นแร่แปรธาตใุ นยคุ โบราณเป็นจริงแล้ว นวิ เคลยี สท่ีผลติ ไดจ้ ากปฏิกิริยานวิ เคลียรน์ นั้ นอกจากจะเปน็ นิวเคลยี สทองคาแล้วยังมีนวิ เคลียสอนื่ ๆ ท่ีนา่ สนใจอีกคือนวิ เคลยี สของธาตุทีม่ ีเลขอะตอมมากกว่า 92 ซง่ึ นิวเคลียวประเภทน้ีไม่มใี นธรรมชาติ เชน่ การ ผลติ นิวเคลียสของธาตุที่มเี ลขอะตอม 93 สามารถทาไดโ้ ดยการยงิ อนภุ าคนิวตรอนไปชนนวิ เคลยี สของ ยูเรเนียม ดังปฏิกริ ยิ าต่อไปนี้ 23982U + 10n → 23929U + γ 23929U → 23939Np + −10e ในปัจจุบัน นิวเคลียสที่มีเลขอะตอมตง้ั แต่ 93 ขึน้ ไปจะถูกผลิตด้วยวธิ ี้ และนกั วทิ ยาศาสตรย์ งั คง พยายามผลิตธาตทุ ่ีมเี ลขอะตอมสูงขึ้นไปอีก ในการวิเคราะห์พลงั งานในรูปปฏกิ ิรยิ านิวเคลยี รน์ ้นั พบวา่ ในบางปฏิกริ ิยาจะต้องใช้พลังงานเพอื่ ให้ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ า เช่น การแตกตัวของดวิ เทอรอนออกเป็นโปรตอนและนวิ ตรอน ปฏกิ ริ ิยานี้จะเกิดข้นึ ได้ก็ต่อเมื่อ ดิวเทอรอนไดร้ ับพลงั งาน 2.22 MeV สามารภคานวณหาพลงั งานท่ีทาให้เกิดปฏกิ ิรยิ านวิ เคลียรไ์ ด้ เชน่ พิจารณาปฏิกิริยา 147N(α, p)178O กอ่ นเกิดปฏิกิริยา 147N + 42He → 178O + 11H 147N มีมวล 14.003074u 42He มมี วล 4.002604u หลงั เกดิ ปฏกิ ิรยิ า มวลรวม 18.005678u 178O มีมวล 16.999134u 11H มีมวล 1.007825u มวลรวม 18.006959u มวลรวมหลังเกิดปฏกิ ิรยิ ามีค่ามากวา่ มวลก่อนเกิดปฏิกิรยิ าเท่ากับ 0.001281u ซ่ึงพลงั งานทีเ่ ทียบเท่า กับมวลท่ีแตกต่างนี้จะมีค่าเท่ากับ (0.001281u)(931.5MeV/u) หรอื เทา่ กับ 1.19 MeV แสดงว่าในปฏิกริ ิยานีต้ ้องให้พลังงาน ทาได้โดยการยิงอนภุ าคแอลฟาพลังงานอย่างนอ้ ย 1.19 MeV เช้าชนไนโตรเจน-14 สมการของปฏกิ ิริยาเขียนไดเ้ ปน็ 147N + 42He + 1.19MeV → 178O + 11H

21 ในปฏิกิรยิ าข้างต้น พบวา่ พลังงานยดึ เหน่ียวของ 147N 24He และ 178O เทา่ กบั 104,66,28.29 และ 131.76 MeV ตามลาดบั ดังน้ันผลรวมของพลังงานยึดเหน่ียวกอ่ นเกดิ ปฏิกริ ยิ าจึงมีค่ามากกวา่ ผลรวมของ พลังงานยึดเหน่ยี วหลงั เกดิ ปฏิกริ ยิ าเท่ากับ 1.19 MeV เท่ากบั พลงั งานที่ใชใ้ นการทาปฏิกิรยิ านน่ั เอง ในปฏิกิริยานวิ เคลยี ร์บางปฏกิ ิริยามีการปล่อยพลังงานออกมา ในกรณผี ลรวมของมวลหลัง เกิดปฏิกริ ยิ ามีคา่ นอ้ ยกว่าผลรวมของมวลกอ่ นเกิดปฏกิ ิริยา เชน่ การรวมตวั ของโปรตอนกับนิวตรอนเปน็ ดวิ เทอรอนทม่ี กี ารปล่อยรังสีแกมมาทีม่ ีพลังงาน 2.22 MeV ยังมีกรณีอนื่ ๆ อีก เช่น การยิงอนุภาคโปรตอนให้ พุ่งชนเคลยี สของลเิ ทียม คานวณหาพลังงานได้ดังน้ี 37Li + 11H → 24He + 24He ก่อนเกดิ ปฏิกริ ิยา หลงั เกิดปฏกิ ริ ยิ า 73Li มีมวล 7.016005u 24He มีมวล 4.002604u 11H มีมวล 1.007825u 42He มีมวล 4.002604u มวลรวม 8.023830u มวลรวม 8.005208u เพราะมวลรวมกอ่ นเกิดปฏกิ ิริยามคี ่ามากกวา่ มวลรวมหลงั เกดิ ปฏิกิริยาเท่ากบั 0.018622u ดงั นนั้ พลังงานทเี่ ทียบเทา่ กับมวลค่านเ้ี ท่ากับ (0.018622u)(931.5MeV/u) หรือเทา่ กับ 17.34 MeV ในปฏิกริ ิยาดังกล่าว โปรตอนและอนภุ าคแอลฟาต่างกม็ ีพลังงาจลน์ พลงั งาน 17.34 MeV คอื ผลต่าง ระหว่างพลังงานจลน์ของอนุภาคแอลฟาทงั้ สองกับโปรตอน สมการของปฏกิ ิรยิ าเขยี นไดเ้ ป็น 37Li + 11H → 24He + 24He + 17.34MeV พลังงานทเ่ี กดิ จากปฏกิ ริ ิยานิวเคลียรเ์ รยี กว่า พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy) พลงั งานนี้อยู่รปู พลงั งานจลน์ของอนภุ าคหรอื ในรูปคลนื่ แม่เหล็กไฟฟ้าก็ได้ ในทานองเดียวกนั ปฏกิ ิริยานิวเคลยี รอ์ น่ื ๆ สามารถพจิ ารณาในแงข่ องพลังงานยึดเหนี่ยวได้ โดย พลงั งานยึดเหนย่ี วของ 37Li และ 24He มีคา่ 39.24 และ 28.29 MeV ซ่งึ มากกว่าผลรวมของพลังงานยดึ เหนี่ยว หลังเกดิ ปฏกิ ริ ิยาเทา่ กบั 56.58 MeV มากกว่าผลรวมของพลงั งานยึดเหน่ียวก่อนเกดิ ปฏิกิรยิ าเท่ากับ 17.43 MeV สอดคลอ้ งกบั ค่าพลังงานนิวเคลยี รท์ ี่หาได้ การวเิ คราะห์พลังงานจากปฏิกิรยิ านวิ เคลยี ร์ สรุปไดว้ า่ “ในปฏกิ ิรยิ านวิ เคลยี รท์ ่มี ีการปล่อยพลงั งาน ผลรวมของพลังงานยึดเหนยี่ วหลังเกดิ ปฏกิ ริ ยิ ามีค่ามากกว่าผลรวมของพลังงานยดึ เหนย่ี วก่อน เกดิ ปฏกิ ริ ิยา”

22 20.6.1 ฟิชชัน เราสามารถทาให้นิวเคลยี สของยูเรเนยี ม-235 แตกตวั ออกเป็นสองนวิ เคลยี สใหม่ที่มีขนาดใกล้เคียงกนั ซึ่งจะมีพลังงานยดึ เหนย่ี วต่อนวิ คลีออนเพิ่มขึ้น เรียกปฏกิ ริ ิยาทีน่ วิ เคลียสของธาตุหนักแตกตวั เป็นนิวเคลยี ส ขนาดเลก็ กวา่ ว่า ฟิชชัน (fission) แบ่งธาตุออกตามเลขมวลได้โดยประมาณดงั นี้ ธาตเุ บา หมายถึง ธาตุทีม่ เี ลขมวลอย่ใู นช่วง 1-25 ธาตุขนาดปานกลาง หมายถึง ธาตทุ ีม่ ีเลขมวลอยูใ่ นชว่ ง 25-150 และธาตหุ นัก หมายถงึ ธาตทุ ่ีมีเลขมวล ตง้ั แต่ 150 ขน้ึ ไป การศึกษาฟิชชนั น้ี เร่ิมจากการที่รัทเทอร์ฟอรด์ พบวา่ ปฏิกริ ิยานิวเคลยี ร์เกิดข้ึนไดโ้ ดยการยงิ อนุภาค หนึง่ ให้เขา้ ชนนวิ เคลยี สของธาตุ ตอ่ มา เฟรม์ ี นักฟสิ กิ ส์ชาวอติ าลไี ด้พยายามผลติ ธาตทุ หี่ นกั ว่า ยเู รเนียม โดยยงิ นวิ ตรอนไปชนนิวเคลยี สของยเู รเนียมโดยหวังนิวตรอนซึ่งมสี ภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าจะเข้าไป รวมกับนวิ เคลียสเดิมกลายเป็นนิวเคลยี สใหม่ และนิวเคลียสใหมจ่ ะสลายให้รังสบี ีตาออกมา พรอ้ มทั้งเปลย่ี น สภาพเป็นนิวเคลยี สของอีกธาตหุ น่งึ ที่มีอะตอมสูงกว่ายเู รเนียม Enrico Femi (พ.ศ. 2444-2497) นักฟสิ ิกสช์ าวอติ าลี มีความสนใจในอนุภาคนิวตรอนมาก ในปี พ.ศ 2481 เขา ไดร้ ับรางวัลโนเบลจากผลงานการคน้ ควา้ การสร้างธาตุใหม่ โดยการยงิ นวิ ตรอน และการคน้ พบปฏิกริ ยิ านวิ เคลยี รท์ ่ีใช้ นวิ ตรอพลงั งานต่า นอกจากนั้น เฟร์มยี ังเปน็ ผู้ริเริม่ อธบิ าย เรือ่ งแรงนิวเคลยี รแ์ บบอ่อน (weak nuclear force) และ ผู้ให้กาเนิดเครื่องปฏิกรณ์นวิ เคลียร์อีกดว้ ย รปู 20.2 รปู 20.20 เฟร์มี ในปี พ.ศ. 2477 เฟร์มี พบว่า การยิงนิวตรอนไปชนนวิ เคลียสยเู รเนยี มนน้ั ทาให้ไดธ้ าตกุ ัมมนั ตรังสใี หม่ หลายธาตุ แตข่ ณะนน้ั เขายังตรวจสอบไม่ได้ว่าเปน็ ธาตใุ ดบ้าง เนื่องจากปริมาณที่เกดิ ขึ้นน้อยมาก และวธิ ีการ แยกธาตุใหม่ออกมาจากธาตเุ ดมิ ไม่ดีพอ ห้าปตี ่อมา ฮาห์นและสตราสมนั น์ (รูป 20.21) ไดท้ าการตรวจสอบ ธาตทุ ี่เกดิ ใหม่พบว่า ธาตเุ กิดใหม่ตัวหนึง่ คอื แบเรยี ม-139 มีครง่ึ ชวี ิต 86 นาที

23 จากการวิเคราะหด์ งั กล่าวทาให้เกดิ แนวความคิดวา่ ในปฏิกริ ิยานวิ เคลยี ร์นี้ นิวเคลียสของยูเรเนยี มอาจ แตกตัวเป็นสองนวิ เคลียสทมี่ เี ลขมวลใกล้เคยี งกัน และถ้าเป็นเชน่ นน้ั จริงจะพบนวิ เคลยี สทีม่ เี ลขอะตอมอยู่ ระหวา่ ง 90-100 และเลขอะตอมประมาณ 35 เกดิ ขน้ึ ด้วย ในเวลาต่อมาฮาหน์ และสตราสมันนไ์ ดพ้ บวา่ มธี าตุ ทม่ี เี ลขมวลและอะตอมเกดิ ข้ึนในปฏิกริ ิยานี้ ฮาห์นและสตราสมันนช์ ใ้ี ห้เห็น นวิ เคลียสของธาตุหนักเมื่อถกู ยงิ ด้วยนิวตรอนจะแตกตัวออกเปน็ นวิ เคลียสของ ธาตขุ นาดกลาง ต่อมาในปี พ .ศ. 2482 ไมท์เนอรแ์ ละออตโต ฟริช ไดอ้ ธิบายปฏกิ ริ ยิ าทีน่ ิวตรอนพงุ่ เขา้ ชน นิวเคลยี สของยูเรเนยี มทาให้เกดิ นวิ เคลยี สขนาดกลางสองนิวเคลยี สน้นั ว่าเปน็ ปฏิกริ ยิ านวิ เคลียรแ์ บบฟชิ ชันวา่ ธาตุท่หี นักกวา่ ยูเรเนยี ม เช่น พลูโทเนยี มและเนปทูเนยี มก็สามารถเกิดฟชิ ชนั ไดเ้ ชน่ กนั การยงิ นิวตรอนไปชนนิวเครปูลีย2ส0ข.2อ1งยสูเตรรเนายีสมนั อนก์ ไจมาทก์เจนะอทรา์แใลหะเ้ ฮกาิดหฟน์ ชิ ชันแลว้ ในเวลาตอ่ มายงั พบดว้ ย Fritz Strassmann (พ.ศ. 2445-2523) Lise Meitner (พ.ศ.2445-2423) และ Otto Hahn (พ.ศ.2421-2511) ไมทเ์ นอร์เป็นนกั ฟสิ ิกส์ชาวออสเตรีย แตไ่ ปทางานวจิ ัยเกย่ี วกับธาตกุ ัมมนั ตรงั สีท่ี ประเทศเยอรมนั กับฮาห์นซึง่ เป็นนักเคมชี าวเยอรมันต้งั แต่ พ.ศ.2451 ถึง พ.ศ. 2481ทงั้ คู่ไดร้ ับรางวัล เฟร์มีพร้อมกบั สตราสมนั นน์ ักฟิสิกสช์ าวเยอรมัน ในปี พ.ศ. 2509 นอกจากน้ี ฮาหน์ ยังได้ทาการทดลอง ด้านฟสิ กิ สน์ ิวเคลยี รร์ ่วมกบั สตราสมนั ต์ โดยพบว่า เมอ่ื ยิงนิวตรอนเขา้ ชนยูเรเนียมจะสามารถผลิต แบเรียมได้ ซึ่งเปน็ ปฏิกริ ิยาแบบฟชิ ชัน การคน้ พบนี้ทาให้ฮาห์นไดร้ บั รางโนเบลสาขาเคมี ในปี พ.ศ. 2487 การศึกษาฟชิ ชันของยเู รเนียมในเวลาต่อมาพบว่า นิวเคลยี สท่ไี ดจ้ ากการแตกตัวนน้ั มีมากกวา่ 40 คู่ ซ่งึ นวิ เคลียสเหล่านต้ี า่ งมเี ลขอะตอมอยรู่ ะหว่าง 30 ถึง 63 และเลขมวลอย่รู ะหว่าง 72 ถึง 158 และทีส่ าคญั คอื นวิ ตรอนมพี ลงั งานสงู เกดิ ขึ้นทุกครง้ั ท่นี วิ เคลยี สแตกตวั โดยเฉลีย่ ประมาณคร้งั ละ 2 ถึง 3 ตัว เชน่ ฟชิ ชนั ของยูเรเนียม-235 แสดงได้ดงั รูป 20.22 และสมการ 23952U + 10n → 14516Ba + 3962Ks + 10n + พลงั งาน ซง่ึ 14516Ba และ 3962Ks เปน็ ไอโซโทปกมั มนั ตรังสี ซงึ่ จะสลายตอ่ ไปโดยให้รงั สีบีตาออกมา

24 รูป 20.22 การเกิดฟิชชนั ของยเู รเนยี ม จากรปู 20.22 แสดงวา่ เม่ือยงิ นวิ ตรอน 1 ตัว เข้าชนยูเรเนยี ม-235 จะมนี วิ ตรอนเกิดขึ้นอีก 3 ตวั ถ้า นิวตรอนเหลา่ นถ้ี ูกทาให้พลงั งานลดน้อยลงจนอยู่ในระดับท่ีเหมาะสม มนั จะพ่งุ ชนนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 ท่อี ยใู่ กลเ้ คยี ง ทาใหเ้ กดิ ฟชิ ชนั ต่อไปได้ และถา้ นวิ ตรอนจากฟิชชนั ที่หนงึ่ ไปทาให้เกดิ ฟิชชันทส่ี อง และนิวตรอน จากฟชิ ชันที่สองไปทาให้เกดิ ฟิชชันทสี่ าม เปน็ เชน่ นี้ต่อไปเรื่อยๆ เป็นผลให้นิวเคลยี สของยเู รเนียมแตกตัวอย่าง ตอ่ เน่ืองเรยี กวา่ ปฏกิ ริ ิยาลูกโซ่ (chain reaction) ดังรูป 20.23 ปฏกิ ริ ิยาดงั กล่าวสามารถใหพ้ ลงั งานมากใน ช่วงเวลาส้นั มากๆ พลังงานของนิวตรอท่เี หมาะสมสาหรับการเกิดฟิชชันของยูเรเนยี ม-235 มีค่าประมาณ 1 eV หรอื น้อยกว่า สว่ นฟิชชนั ของยูเรเนยี ม-238 น้นั ต้องใช้ในนิวตรอนทีม่ ีพลังงานสงู คือ ตงั้ แต่ 1 MeV ข้นึ ไป รปู 20.23 การเกดิ ปฏิกิรยิ าลูกโซ่

25 ในปี พ.ศ. 2485 เฟรม์ เี ปน็ นักฟสิ กิ ส์คนแรกทีส่ ามารถควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาลกู โซ่ได้ โดย ควบคมุ จานวนและพลงั านของนิวตรอนทที่ าให้เกดิ ฟิชชัน เรยี กอุปกรณ์ทผ่ี ลติ พลังงานนิวเคลยี ร์ที่ควบคมุ อัตรา การเกดิ ฟิชชนั และปฏิกริ ิยาลูกโซไ่ ด้วา่ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (nuclear reactor) สาหรับปฏิกริ ยิ าฟิชชันของยูเรเนียม พบวา่ การแตกตัวของยูเรเนยี มหน่งึ นิวเคลยี สจะให้พลงั งาน นิวเคลยี รป์ ระมาณ 200 MeV พลงั งานทปี่ ล่อยออกมานบั ว่าสงู มากเม่ือเทยี บกับปฏกิ ริ ิยานวิ เคลียร์อ่นื ๆ ซง่ึ ให้ พลงั งานเพียง 10-20 MeV เทานั้น สาหรับการนาพลังงานน้ไี ปใช้ในกรณีต่างๆ จะกลา่ วในหวั ข้อตอ่ ไป 20.6.2 ฟวิ ชนั เราทราบมาแล้วว่า ถา้ สามารถทาให้นวิ เคลียสขนาดเลก็ สองนวิ เคลียสรวมกนั เปน็ นวิ เคลียสขนาดใหญ่ ขึ้น พลงั งานยดึ เหนี่ยวจะมีค่าสงู ขนึ้ ปฏิกิรยิ าที่เกิดจากการหลอมรวมนิวเคลียสของธาตุเบาสองธาตุ แลว้ ทาให้ เกิดนวิ เคลียสท่ีหนักกวา่ เดมิ และมีการปลอ่ ยพลังงานนวิ เคลียรอ์ อกมาเรยี กวา่ ฟิวชนั (fusion) ไฮโดรเจนเป็นธาตุทเ่ี บาท่ีสดุ และปฏกิ ิรยิ าของฟิวชนั ของไฮโดรเจน คือ แหล่งกาเนดิ พลังงานท่ีสาคัญ ของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อน่ื ๆ โดยเฉพาะบนดวงอาทติ ยน์ น้ั พบวา่ ประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮเี ลียมเป็น ส่วนใหญ่ เมอ่ื โปรตอน 4 ตวั หลอมรวมกันเปน็ นวิ เคลียสของฮีเลียม จะมีการปล่อยพลงั งานออกมาและการ ปล่อยอนุภาคทีม่ มี วลเทากับอิเล็กตรอนแต่มปี ระจุไฟฟา้ +1e เรียกว่า โพซิตรอน (positron) ออกมาด้วย พลังงานนิเคลยี ร์ทเ่ี กดิ จากปฏิกริ ยิ าฟวิ ชันนสี้ ูงถึง 26 MeV การเกิดปฏกิ ริ ยิ าดังกลา่ วมหี ลายขนั้ ตอน เขียนเปน็ สมการไดด้ ังนี้ 11H → 42He + 201e + 26MeV พลังงาน 26 MeV คานวณได้จากมวลทีห่ ายไปในปฏิกริ ยิ า ข้อมูลนี้ทาให้นกั วิทยาศาสตร์ร้วู า่ มวลของ ดวงอาทติ ย์นนั้ ลดลงอย่างชา้ ๆ บนโลกเราน้นั ฟิวชันของไฮโดรเจนสามารถเกดิ ขึ้นในห้องปฏิบัตกิ ารเท่าน้ัน โดยการหลอมรวม ดวิ เทอรอนไปเปน็ นิวเคลยี สของฮเี ลยี ม ดังปฏกิ ิรยิ าต่อไปนี้ 1212HHe++21H12H→→31H23H+e +11H10+n 4.0MeV + 3.3MeV ปฏิกิริยาทัง้ สองนี้มโี อกาสเกิดขนึ้ เทา่ ๆ กัน ในปฏกิ ิริยาแรกของฟวิ ชนั ของดิวเทอรอน2 ตัว จะให้ ทรทิ อน ส่วนปฏิกิรยิ าทส่ี องจะใหฮ้ เี ลียม-3 เม่ือดวิ เทอรอนวงิ่ ทริทอนท่ีเกิดจากปฏกิ ิรยิ าแรกหรือฮเี ลยี ม-3 ของ ปฏิกิริยาท่ีสอง จะเกิดฟิวชันได้เป็นนิวเคลยี สของฮีเลยี ม ดงั สมการตอ่ ไปนี้ 31H + 21H → 42He + o1n + 17.6MeV 32He + 24H → 42He + 11H + 18.3MeV ทริทอน คือ นวิ เคลยี สของธาตทุ ริเทียม ซ่ึงเป็นไฮโซโทปหนึง่ ของไฮโดรเจนทไ่ี ม่มีในธรรมชาติมนั จะสลายไปเปน็ ฮีเลยี ม-3 โดยใหร้ งั สบี ีตา ทริทอนมีครง่ึ ชวี ิตโดยประมาณ 12 ปี

26 พลังงานรวมท่ีได้จากฟวิ ชนั ของดิวเทอรอน 6 ตัว จากปฏิกิรยิ าทั้ง 4 ขา้ งต้นเทา่ กับ 43.2 MeV สาหรบั ดวิ เทอเรียม 1 กโิ ลกรัม จะใหพ้ ลังงาน 3.45 × 1014 จูล พลังงานปริมาณนีน้ ่าสนใจมาก เพราะในนา้ 1 ลิตร มีดวิ เทอเรียมประมาณ 1/32 กรัม ซึง่ ให้พลงั งานมากถงึ 1.1 × 1014 จูล พลังงานฟิวชันจาก ดิวเทอรอนจึงเทยี บได้กลบั พลังงานจากน้ามันเช้ือเพลิง 300 ลติ ร เพราะได้มกี ารประมาณกนั วา่ โลกเรามี ดิวเทอเรียมมากถึง 1017 กิโลกรมั ดังนน้ั พลงั งานจากฟวิ ชันของดวิ เทอรอนจะทาให้มนุษย์มีพลงั งานใช้ไปเป็น เวลานานมาก ในปจั จบุ นั นกั วิทยาศาสตรส์ ามารถแยกดวิ เทอรอนออกจากน้าได้ง่ายและค่าใชจ้ ่ายไม่สูง แต่ ปัญหาที่นกั วิทยาศาสตร์ยังค้นควา้ วจิ ยั อย่คู ือ หาวิธีผลิตพลงั งานจากฟิวชันทีส่ ามารถควบคมุ และนาไปใช้ ประโยชน์ได้ 20.7 ประโยชนข์ องกมั มนั ตภาพรงั สแี ละพลังงานนิวเคลียร์ 20.7.1 ประโยชน์ของกมั มันตภาพรังสี การศึกษาธาตกุ ัมมนั ตรงั สแี ต่ละชนิดทาให้ร้สู มบตั ิของแต่ละธาตุ เชน่ ชนิดรังสที ่ีได้จากการสลาย คา่ ครึ่งชวี ิตและอัตราการแผร่ ังสเี ป็นต้น ปจั จุบนั มกี ารนาสมบัติเหลา่ นีไ้ ปใช้ประโยชน์หลายๆดา้ นการ เกษตรกรรม การแพทย์ อุตสาหกรรมสิง่ แวดลอ้ มรวมถงึ การสารวจทางโบราณคดแี ละธรณวี ิทยา เชน่ การหา อายวุ ตั ถโุ บราณ ดังต่อไปน้ี 1. การใชก้ มั มันตภาพรังสเี กษตรกรรม ธาตุกัมมันตรงั สีสลายอยตู่ ลอดเวลาโดยไม่ขึ้นกับอิทธิพลภายนอกหรือสิ่งแวดลอ้ ม จึงตรวจตดิ ตามธาตุ กัมมนั ตรังสีมาใชป้ ระโยชนใ์ นการพฒั นาการเกษตรได้เป็นอยา่ งดี ตัวอยา่ งเชน่ การวิจัยอัตราการดดู ซึมปุย๋ ของ ต้นไม้ ถา้ ใสป่ ุ๋ยทม่ี ธี าตุกัมมนั ตรงั สี เช่น ฟอสฟอรสั -32 ปะปนอยลู่ งในดินบรเิ วณใกลต้ ้นไม้ รากต้นไม่จะดูดซึม ธาตุกัมมันตรงั สีเขา้ ไปแลว้ ส่งตอ่ ไปยังลาต้นและไปอยูท่ ่ีใบเพอื่ นอการปรุงอาหาร การตรวจวัดปรมิ าณรังสีทใี่ บ ดังรูปที่ 20.24 จะทาให้ทราบปรมิ าณป๋ยุ ท่ีอยทู่ ี่ใบ จงึ สามารถหาอัตราการดูดซึมของต้นไม้ได้ รปู 20.24 การตรวจวดั ปรมิ าณการแผร่ งั สขี องปุย๋ ที่ใบ

27 การใชป้ ระโยชนข์ องกมั มันตภาพรงั สีในด้านสัตย์เล้ยี ง ไดแ้ ก่ การศึกษาการผลติ ไข่และน้านมของสตั ว์ เชน่ เป็ด ไก่ และโคนม โดยการใชไ้ อโอดนี -131 ธาตกุ ัมมันตรงั ผสมในอาหารสัตว์ และติดตามวดั ปริมาณ ไอโอดีน-131 ของร่างกายสัตว์ ยังพบอกี ว่า รงั สีจากธาตุกัมมันตรังสีสามารถทาให้ส่งิ มีชวี ิตกลายพนั ธุไ์ ด้ เชน่ รังสีจากธาตกุ ัมมนั ตรังจะทาใหโ้ ครโมโซมในเมลด็ พนั ธพุ์ ชื เปลยี่ นไป เม่ือนาเมล็ดพันธ์ุพืชไปเพาะก็จะได้พชื พนั ธุ์ ใหม่ โอกาสทีจ่ ะไดพ้ ืชพันธุ์ดีโดยวนิ ีม้ นี อ้ ยปจั จบุ นั มีพืชพนั ธุ์ดีหลายชนดิ ที่เกิดจากวธิ ีการนี้ ยงั พบว่า รงั สีจาก ธาตกุ ัมมนั ตรังสชี ว่ ยกาจัดแมลงได้ โดยใช้รังสอี าบแมลงหรือตัวอ่อนของแมลงซงึ่ อยาในอาหารโดดยตรง เพ่ือ ทาใหอ้ ะตอมในของเซลล์แมลงแตกตวั เปน็ ไอออน ทาให้แมลงตายในทส่ี ดุ และอกี วิธีหน่งึ คือนาเอาเฉพาะแมลง ตวั ผมู้ าอาบรังสเี พื่อให้เป็นหมันจะได้ไม่สามารถแพร่พนั ธุไ์ ด้อีก ประโยชน์อกี อย่างหนึง่ ของการใช้รงั สจี ากธาตุกมั มันตรังสีคือ การถนอมอาหาร เพราะรงั สสี ามารถฆา่ เช้อื แบคทีเรยี เชื้อรา และยสี ต์ทม่ี อี ยู่ในอาหาร และปริมาณรังสที ่ใี ช้ในการถนอมอาหารแต่ละชนิดจะแตกตา่ ง กนั ดังน้ัน ในการนาอาหารที่อาบรังสมี าบริโภคจะต้องแน่ใจก่อนวา่ ไม่มีอนั ตรายใดๆตามขอ้ กาหนดความ ปลอดภัยของอาหารฉายรังสี อาหารใดๆที่ผ่านการฉายรังสีในปริมาณเฉล่ยี ไม่เกนิ 10 กโิ กเกรย์ ไม่ก่อใหเ้ กิด โทษอนั ตราย และอาหารทผ่ี ่านการฉายรงั สจี ะมสี ญั ลักษณด์ ังรูป 20.25 ตดิ บนผลติ ภัณฑ์ เพอ่ื ใหผ้ ู้บริโภคได้ ทราบ และมโี อกาสเลือกซื้อ รูป 20.25 อาหารท่ผี า่ นการฉายรงั สแี ละสัญลักษณแ์ สดงอาหารทีผ่ า่ นการฉายรังสี 2. การใช้กัมมนั ตรังสีในการแพทย์ รงั สีจากธาตุกัมมันตรงั สสี ามารถตรวจและรกั ษาโรคไดห้ ลายชนิด เชน่ การใช้รังสแี กมมาจากโคบอลต์- 60 ในการรักษาโรคมะเรง็ โดยฉายรงั สีแกมมาเข้าไปทาลายเซลล์มะเรง็ หรอื การใชร้ งั สีแกมมาจากโซเดยี ม-24 อยใู่ นรูปของเกลือโซเดียมคลอไรดใ์ นการศึกษาลักษณะการหมนุ เวียนของโลหิต โดยการฉดี สารดังกล่าวเขา้ ไป ในเสน้ เลอื ด เพ่ือดูว่ามีการอดุ ตนั หรอื การหมุนเวียนของเลือดของระบบการไหลเวียนของโลหิต และการใช้รงั สี แกมมาจากไอโอดีน-131 มนการตรวจดกู ารทางานและรักษาโรคจากต่อมไทรอยด์ 3. การใชก้ ัมมันตภาพรังสใี นด้านอตุ สาหกรรม การใชร้ งั สีจากธาตุกัมมันตรังสีในอุตสาหกรรมทส่ี าคญั พอสรปุ ได้ดงั น้ี ในการควบคุมความหนาแนน่ ของแผน่ โลหะให้สม่าเสมอตลอดแผน่ ทาไดโ้ ดยการหยุดเครือ่ งรดี แผ่น เปน็ ครั้งๆไป แต่การเช่นนีท้ าให้อัตราการผลิตต่า การใช้รงั สีจากธาตุกมั มันตรังสีจะชว่ ยให้สามารถ

28 ตรวจสอบไดโ้ ดยไม่ตอ้ งหยุดเครอ่ื งรีดแผน่ โลหะ ใช้ธาตุกัมมันตรงั สีที่ให้รงั สบี ีตาเปน็ แหล่งกาเนิดรงั สี โดย ปลอ่ ยให้รงั สีตกตั้งฉากกับแผ่นโลหะที่กาลังเคลื่อนที่ออกมาจากเคร่ืองวดั ถา้ แผน่ โลหะมีความหนาผิดไป จากทกี่ าหนดไว้ เคร่ืองวัดจะส่งสัญญาณไฟฟ้ากลับไปยงั เคร่ืองรดี เพ่อื ปรบั อัตราการรดี ใหไ้ ด้ความหนาตาม มาตรฐานที่ตั้งไว้ รปู 20.26 การควบคุมความหนาของแผ่นโลหะ โดยอาศยั รงั สจี ากธาตกุ มั มันตรังสี การตรวจสอบความเรยี บร้อยของการเชอื่ มโลหะ การเชอื่ มท่อ การต่อท่อท่ีใชส้ าหรบั ความดันสูง การเชื่อตวั เรือดานา้ การตรวจสอบประเภทน้สี ามารถทาได้โดยใชร้ ังสีแกมมาซ่ึงสามารถทะลผุ า่ นโลหะได้ โดยนากมั มนั ตรังสที ี่ให้รังสแี กมมาวางไวด้ า้ นหนงึ่ ของสิง่ ที่ต้องการตรวจสอบ แลว้ ใช้จอหรอื แผน่ ฟลิ ม์ รบั รังสีตรงขา้ ม เมื่อนาฟลิ ์มไปล้างสามารถเหน็ ภาพภายในวัตถุได้ว่ามรี อ้ ยร้าวหรือโพรงหรือไม่ ชว่ ยประหยดั เวลาแรงงานกว่าวิธอี ื่นๆ การเปลย่ี นสีของพลอยให้มีสีสนั สวยงามเพ่อื เปน็ ทตี่ ้องการของตลาดและเพ่ิมมูลค่าให้สงู ขึน้ สามารถ ทาได้โดยใช้รงั สีแกมมาจากไอโซโทปโคบอลต-์ 60 ฉายพลอย ทาให้สขี องพลอยเปลีย่ นไป เนอื่ งจากรังสีแก มาทาใหต้ าแหนง่ อิเลก็ ตรอนของพลอยเปล่ียนไป สขี องควอตซก์ ่อนฉายรงั สแี กมมาและรงั ฉายรงั สแี กมมา จากรปู 20.27 ก. ควอตซก์ ่อนฉายรังสีแกมมา ข. ควอตซ์หลงั ฉายรังสีแกมมา รปู 20.27 สีของควอตซก์ ่อนและหลังฉายรงั สแี กมมา 4. การใชก้ มั มันตรงั สหี าอายวุ ตั ถโุ บราณ การหาอายุของวตั ถุโบราณมีความสาคัญมากในการศึกษาโบราณคดี และธรณวี ิทยา การหาอายุวตั ถุ โบราณมีหลายวธิ ี แต่วิธที ใี่ ช้กนั มากคือ การหาอายดุ ว้ ยคาร์บอน-14 เนอื่ งจากองค์ประกอบสาคญั ของสง่ิ มชี ีวิต ทงั้ หลายคือ ธาตุคาร์บอน โดนส่วนใหญจ่ ะอยใู่ นรูปของคาร์บอน-12 ซ่ึงเป็นธาตุเสถยี ร และมคี าร์บอน-14 เป็น ธาตกุ มั มันตรังสีที่มีปริมาณน้อย คาร์บอน-14 ในสง่ิ มีชวี ิตจะสลายดว้ ยคร่ึงชีวติ 5,730 ± 30 ปี ซง่ึ เป็น เวลานาน ดงั น้นั ในขณะทม่ี ชี ีวติ อยู่ อัตราสว่ นของคารบ์ อน-14 ตอ่ คาร์บอน-12 ในร่างกายของสัตว์และในพชื

29 จะมีคา่ คงตวั แต่เม่ือส้นิ สดุ ชีวติ ลงโอกาสทจ่ี ะไดร้ บั คารบ์ อนตามปกติก็จะหยดุ ลงด้วย ดังนัน้ อตั ราส่วนคาร์บอน ท้ังสองกจ็ ะลดลงเร่ีอยๆ และสามารถคานวณหาอายุของสัตว์หรือพชื ได้จากอัตราส่วนดังกลา่ ว เชน่ การตรวจ วเิ คราะห์โครงกระดูกช้ินหนึ่ง พบว่าอตั ราสว่ นคาร์บอน-14 ต่อ คารบ์ อน-12 มีอย่เู พยี งรอ้ ยละ 50 ของกระดูก สตั ว์ชนิดเดียวกนั ที่เพงิ่ เสยี ชีวติ ใหมๆ่ แสดงวา่ โครงกระดูกไดต้ ายมาแลว้ ประมาณ 5,700 ปี 20.7.2 การใชพ้ ลังงานนวิ เคลยี ร์ แหลง่ กาเนิดของพลงั งานิวเคลยี รม์ ี 2 ประเภท ประเภทแรกคือ จากระเบิดนิวเคลยี รท์ ีอ่ านาจในการ ทาลายอน่างมหาศาล ตวั อย่างการนาระเบิดไปใช้ ได้แก่ การขุดคลองและการทหาร ส่วนอีกประเภทหน่ึงคือ จากปฏกิ ิริยาฟชิ ชัน นาไปใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าของโรงพลงั งานนวิ เคลียร์ โรงไฟฟ้าพลงั งานนิวเคลียรม์ ีหลักในการผลิตกระแสไฟฟ้าคล้ายกับโรงงานไฟฟา้ ท่ีใชเ้ คร่ืองจักรไอนา้ ทว่ั ๆ ไปแต่แตกตา่ งกนั ตรงที่พลังงานทใี่ ชผ้ ลิตไอนา้ เป็นพลังงานนวิ เคลยี ร์ หลกั การย่อยๆ ของโรงไฟฟา้ พลังงานนิวเคลียร์ ดังรปู 20.28 รปู 20.28 แสดงแผนภูมิโดยย่อยของไฟฟา้ พลงั นวิ เคลยี ร์ เครื่องปฏกิ รณน์ ิวเคลียร์ ประกอบดว้ ย แท่งเชื้อเพลงิ (ยเู รเนียมหรือพลูโตเนยี ม) จัดเรียงอยูก่ บั ตัว มอเดอร์เรเตอร์ (moderator) และมีแท่งควบคุม (control rods) ทาหนา้ ท่คี วบคมุ อัตราการเกดิ ฟชิ ชนั ภายในเครือ่ งปฏิกรณน์ ิวเคลยี ร์ พลงั งานจะถูกปล่อยออกมาในรปู ของความร้อน ซึ่งจาเป็นต้องถ่ายโอนความ รอ้ นออกจากเคร่ืองปฏกิ รณน์ ิวเคลียร์ มักใชข้ องเหลวเพื่อนาความรอ้ นไปถ่ายโอนใหก้ บั น้า เพื่อทาให้นา้ กลายเป็นไอ ไอน้าท่มี ีความร้อนและความดนั สูงก็จะไปขบั เคล่ือนกงั หันซ่งึ มีเพลาต่อกบั เครือ่ งกาเนดิ ไฟฟา้ ทา ใหแ้ กนของเครือ่ งกาเนดิ ไฟฟ้าหมุนและผลิตกระแสไฟฟา้ ออกมาส่งจา่ ยตามบ้าน การผลิตกระแสไฟฟา้ วิธีน้ี เป็นวธิ ีการผลิตที่มตี น้ ทุนการผลติ ต่าเม่อื คิดในระยะยาว เพราะพลงั งานท่ไี ด้นนั้ สูงเมื่อเทียบกบั พลงั งาน เช้อื เพลิงที่ใชไ้ ป มีการผลิตกระแสไฟฟ้าโดนพลังงานนิวเคลียร์อยา่ งแพรห่ ลายในสหรัฐอเมริกาและบางประเทศ ในยุโรปตะวนั ตก เชน่ รัสเซยี และมีแนวโน้มทจ่ี ะเพ่ิมข้นึ ในอนาคต เพราะเช้ือเพลงิ ธรรมชาตใิ นรปู ของน้ามัน ถ่านหนิ และแก๊สธรรมชาตเิ หลือปริมาณน้อยลงทุกวนั

30 มอเดอร์เรเตอร์ เปน็ สารท่ีอย่โู ดยรอบยเู รเนยี ม ทาให้นวิ ตรอนท่ีเกิดจากฟิชชันของยูเรเนียม เคลอื่ นทชี่ า้ จงึ ทาใหเ้ กดิ ปฏิกิรยิ าฟชิ ชนั ไดด้ ี เน่อื งจานวิ ตรอนพลงั งานสูงจะวงิ่ ผา่ นนวิ เคลยี สของยูเรเนียมไป โดยไมเ่ กิดปฏิกริ ิยาใดๆ ในกรณท่ใี ช้ 23932U เปน็ เชอ้ื เพลงิ มอเดอรเ์ รเตอร์ทใี่ ชค้ ือ น้า (H2O) และถ้าใช้ ยเู รเนียมธรรมชาตซิ ่ึงมคี วามเขม้ ขน้ 23952U ต่า เป็นเชอื้ เพลงิ จะใชน้ ้ามวลหนัก (heavy water) (D2O) เปน็ มอเดอร์เรเตอร์ นอกจากจะถกู นามาใชใ้ นการผลิตกระแสไฟฟ้าแลว้ ยังนาไปใช้ในการขบั เคล่ือนเรือเดินมหาสมทุ รเพ่ือ ขนส่งสินค้าระหว่างทวีป เนอื่ งจากการใช้พลงั งานนิวเคลียร์ไมต่ ้องการเช้ือเพลิงปริมาณมาก ดงั นัน้ เน้ือท่ีท่ีต้อง ใชเ้ ก็บเชอื้ เพลิงน้อย ทาให้เรอื บรรทุกสนิ ค้าได้มากและไม่จาเปน็ ตอ้ งแวะเตมิ เช้ือเพลิงบ่อย จึงสามารถนาเรอื เดนิ ทางในทะเลไดเ้ ป็นเวลานาน ในอนาคตโลกกาลงั จะมีการใช้พลงั งานนิวเคลียร?ในการขับเคลอ่ื นยานอวกาศ เน่ืองจากระยะการ เดนิ ทางในอวกาศนน้ั ไกล ยานอวกาศไมส่ ามารถบรรทุกเชือ้ เพลิงธรรมดาไดเ้ พียงพอ จงึ จาเปน็ ตอ้ งอาศยั พลังงานนวิ เคลียรแ์ ทน ใชเ้ ชื้อเพลงิ ปริมาณนอ้ ยกว่าทาให้ยานอสกาศไมต่ ้องเติมเช้ือเพลงิ บ่อย เน่ืองจากเครอ่ื งปฏิกรณน์ วิ เคลยี ร์สามารถผลติ พลังงานไดป้ รมิ าณมากจึงนาไปใชป้ ระโยชน์ไดม้ าก อีก ตวั อย่างหน่ึงคือ การกลัน่ นา้ ทะเลเป็นนา้ จืดเพ่ือใช้ในสถานทร่ี มิ ทะเลท่ีขาดแคลนน้าจดื ก็สามารถทานา้ จดื ใช้ได้ โดยอาศยั ความร้อนจากเคร่ืองปฏกิ รณ์นวิ เคลยี ร์มาทาให้น้าเค็มกลายเปน็ ไอ แล้วแยกเอาไอนา้ ซึ่งเปน็ น้าจดื ออกจากเกลอื ปจั จุบันมีโรงผลิตนา้ จดื โดยใช้พลงั งานนิวเคลียร์อย่หู ลายแหง่ และใชไ้ ดผ้ ลดี 20.8 รงั สีในชวี ิตประจาวัน อนั ตรายจากรังสแี ละการป้องกนั จากการศึกษากัมมันตภาพรงั สีท่กี ลา่ วมา ทาให้รูว้ ่าการนาสารกมั มนั ตรงั สีมาใช้ประโยชนใ์ นหลายๆ ด้าน นอกจากประโยชน์ท่ีมนุษยไ์ ด้รับแลว้ ยงั มีอันตรายจากรงั สีทมี่ ีต่อชวี ิตมนุษย์ เช่น มารี คูรี นกั เคมีและ ฟสิ ิกสช์ าวโปแลนด์ ผู้ค้นพบเรเดียมและพอโลเนียม เปน็ บุคคลหน่ึงทไ่ี ดร้ บั อนั ตรายจากรังสีจนเสยี ชีวติ เน่อื งจากโรคลูคเี มีย เป็นผลจากการไดร้ บั รังสีระหว่างศกึ ษาค้นคว้าธาตุดงั กลา่ ว 20.8.1 รังสีในธรรมชาติ ในธรรมชาติรอบตัวเรามีรงั สีต่างๆ ที่มาจากแหลง่ กาเนดิ หลายแหลง่ เชน่ รังสจี ากนอกโลกเรียกว่า รงั สีคอสมิก (cosmic rays) โดยแหลง่ กาเนิดท่ีใหญ่ที่สุดของรงั สนี ี้ คือ ดวงอาทิตย์ ส่วนรงั สที ีเ่ กิดขน้ึ บนโลก เชน่ รังสีจากไอโซโทปกัมมนั ตรังสีของธาตตุ ่างๆ มาจากแหลง่ กาเนิดท่ีเป็นส่วนประกอบของโลก ได้แก่ ดินหิน น้า และแก๊ส เช่น โพแทสเซยี ม-40 แวนาเดยี ม-50 รบู เิ ดียม-87 อเิ ดยี ม-115 ทอเรียม-232 ยเู รเนยี ม-238 และ

31 แก๊สเรดอน-222 ไอโซโทปกัมมนั ตรงั สเี หล่าน้ี มีปรมิ าณแตกต่างกันไปตามสภาพภมู ิศาสตร์ เช่น มปี รมิ าณมาก ในบริเวณท่เี ป็นแหมืองแร่ เหมอื งนา้ มนั และแหล่งแก๊สธรรมชาติ เป็นตน้ นอกจากแหล่งกาเนดิ รา่ งกายของมนุษย์สตั ว์และพชื กม็ ีไอโซโทปกมั มนั ตรงั สีอยู่ในร่างกายตาม ธรรมชาติดว้ ย ได้แก่ ทริเทยี ม คาร์บอน-14 โพแทสเซียม-40 ทอเรียม-232 ยูเรเนยี ม-238 ทีผ่ า่ นจาก สิ่งแวดลอ้ มรอบตัวเขา้ ส่รู ่างกาย ตามปกติร่างกายมนุษยจ์ ะรับรังสีเขา้ สู่ร่างกายจากธรรมชาตโิ ดยเฉล่ีย ประมาณร้อยละ 85 ท่เี หลอื ร้อยละ 15 เป็นรังสีท่มี นุษย์สร้างขน้ึ มา โดยรังสีจากสิง่ ทีม่ นุษย์สร้างขน้ึ จะมี ปริมาณแตกต่างกนั ไปตามสภาพที่ได้รบั เชน่ จากอาหาร เครอื่ งดมื่ และยาชนิดต่างๆ รวมทง้ั การรบั รังสีเอ็กซ์ จากการตรวจร่างกาย จากจอภาพของโทรทศั น์และคอมพวิ เตอร์ การไดร้ ับรงั สีจากฝนุ่ กมั มนั ตรังสีท่ีฟุ้งมาจาก การทดลองระเบิดนวิ เคลียร์ การได้รับปรมิ าณรงั สคี อสมกิ เพ่ิมข้นึ จากการขนึ้ ยอดเขาสูง รวมทัง้ การเดนิ ทางโดย เคร่ืองบนิ ท่รี ะดับสูง 20.8.2 อนั ตรายจากรังสี ในสมยั สงครามโลกครั้งที่2 มีการใช้ระเบดิ ปรมาณูทาลายศัตรู พลังงานอนั มหาศาลของปฏิกริ ิยา นิวเคลียรฟ์ ชิ ชันท่ไี ดท้ าลายสง่ิ ก่อสรา้ งและชวี ิตมนุษยเ์ ปน็ จานวนมาก เดิมท่ีคดิ กันมนุษย์ตายเพราะแรงเท่านัน้ เพราะยังไม่เคยมีการศึกษาผลกระทบของรงั สตี ่อสิ่งมีชีวิต รวมทงั้ ไม่มเี ครื่องมือตรวจสอบรังสีทบี่ ริเวณถูก ระเบดิ และในร่างกายผู้เคราะห์ร้าย แต่หลงั จากการระเบดิ ของระเบิดปรมาณูประมาณ 1 ปี พบวา่ มคี นจานวน มากเสียชวี ติ ดว้ ยโลกมะเร็งเพราะไดร้ ับรงั สี ด้วยเหตุน้ี โลกจึงตอ้ งเริมตืน่ ตัวศกึ ษาผลกระทบของรงั สีทมี่ ีต่อชีวิต เมอ่ื รงั สีจากธาตุกมั มนั ตรังสีผา่ นเขา้ ไปในเนื้อเยื่อของสิ่งชีวิต จะทาใหเ้ น้ือเย่ือเปลย่ี นแปลง คอื อาจทา ให้เน้อื เย่ือตายทนั ที หรือเปล่ียนแปลงไป ซง่ึ อาจนาปสสู่ าเหตุของการเปน็ โรคมะเรง็ ได้ รปู 20.29 แสดง โครงสร้างดเี อน็ เอก่อนและหลังได้รบั รงั สี จะเห็นวา่ โครงสร้างดีเอน็ เอเปลีย่ นไป รปู 20.29 โครงสร้างดเี อน็ เอกอ่ นและหลังได้รบั รังสี

32 ความรุนแรงของอนั ตรายท่ีเกิดตอ่ รา่ งกายซ่งึ ไดร้ ับรับรังสี ข้ึนกบั ปรมิ าณของรังสใี นชว่ งเวลาทร่ี า่ งกาย ไดร้ ับ และส่วนของร่างกายทร่ี ับรังสีนนั้ ตามปกติมนษุ ย์ไดร้ ับรังสจี ากสภาพแวดลอ้ มในธรรมชาติอยตู่ ลอดเวลา แต่ในปริมาณทนี่ ้อยจึงไมเ่ ป็น อันตรายนกั การบาบดั โรคด้วยสารกัมมันตรังสีหรือการตัง้ ถ่ินฐานอยู่ใกลโ้ รงไฟฟ้านิวเคลียร์จะทาใหร้ ่างกาย ได้รับรงั สีในปริมาณสูง แต่กย็ ังไมเ่ ป็นอันตรายเฉยี บพลนั เหมือนกบั อยู่ในเหตุการณ์การระเบดิ ของระเบดิ ปรมาณู หรือการระเบิดในโรงไฟฟา้ นวิ เคลยี ร์ อาการทป่ี รากฏหลังจากที่รา่ งกายไดร้ ับรงั สี จะมอี าการคลน่ื ไส้ เบอื่ อาหาร ปวดศีรษะ ถ้าอาการหนกั ผมอาจร่วง แต่ส่วนใหญแ่ ล้วอาการเหลา่ นี้จะไม่ปรากฏในทันที ดังน้นั ประชาชนและผเู้ กย่ี วข้องกับรังสีจึงควรใสใ่ จตอ่ การป้องอันตรายจากรังสี หนว่ ยวัดปรมิ าณรงั สีที่ไดร้ บั ซีเวริ ต์ (Sivert) มีสัญลักษณ์ Sv เป็นหน่วยวดั ผลรวมของปริมาณรงั สีดูดกลนื ในเน้อื เยื่อหรืออวยั วะ ใดๆ ของมนษุ ยห์ ลงั จากปรบั เทยี บการก่อเกิดอนั ตรายของรังสที กุ ชนิดที่อวัยวะนั้นไดน้ ับ โดยเทียบกับการกอ่ อันตรายของรงั สีแกมมา และโดยท่ัวไปประชาชนได้รับรงั สีจากแหล่งกาเนิดรังสที กุ แหลง่ รวมกันต้องไม่เกิน 1 มิลลิซเี วิรต์ ตอ่ ปี สาหรับผู้ท่ีทางานเก่ียวข้องกับรังสตี ้องได้รบั รังสไี ม่เกิน 20 มิลลซิ เี วริ ์ตต่อปี เม่ือเนื้อเย่อื ของร่างกายไดร้ ับรงั สจี ะทาให้อเิ ล็กตรอนหลดุ จากอะตอม หรอื พันธะเคมเี สยี หายทาให้มี การเปลีย่ นแปลงทางกายภาพของเซลล์ ความเสียหายมีตงั้ แตเ่ ลก็ นอ้ ยท่รี ่างกายสามารถรักษาตัวเองได้ จนถึง เสยี หายมาก ระดับความเสียหายข้ึนอยู่กับปริมาณของรงั สี ชว่ งเวลาทไ่ี ด้รับและอวยั วะท่ีได้รับรงั สี เนอ้ื เย่ือ บริเวณอวยั วะสบื พนั ธ์ุเปน็ ตาแหนง่ ของรา่ งกายที่ไวต่อการรับรังสมี ากที่สุด สาหรับเนื้อเยือ่ บริเวณอวัยวะ สืบพันธุ์ท่ที าหนา้ ท่ีทาหน้าทสี่ ร้างอสจุ ิหรอื ไขเ่ มื่อได้รบั รังสี อาจทาให้โครโมโซมของเซลลม์ กี ารเปลย่ี นแปลง ถ้า เปน็ การเปลีย่ นแปลงชนดิ ถาวรเมื่อมีการผสมพันธ์ุ ผลของการเปลย่ี นแปลงจะถูกถา่ ยทอดสลู่ ูกหลาน เปน็ ผลให้ เกดิ การกลายพนั ธ์ุ ดงั รปู 20.30 แสดงการกลายพันธ์ใุ นสัตว์ รูป 20.30 ตัวอย่างสัตว์ที่กลายพนั ธ์ุ การกลายพันธุ์อาจเกิดผลดีหรอื ผลเสียกไ็ ด้ แต่ส่วนใหญ่ให้ผลเสีย ดังนัน้ การกลายพันธจุ์ ากการไดร้ ับ รงั สีจึงเป็นอนั ตรายต่อมนุษย์มาก เม่ือเป็นเช่นน้ัน หลายประเทศจึงได้มีการลงนามในสนธิสญั ญาเพ่อื ป้องกนั อันตรายจากรังสี เชน่ ไม่ทดลองระเบิดนวิ เคลียร์ การปนเป้ือนรังสีในสิง่ แวดล้อมบางครง้ั กอ็ าจเกิดจากอุบัติเหตไุ ด้ เช่น ในปี พ.ศ.2529 โรงไฟฟ้า นิวเคลยี ร์แหง่ หนง่ึ ในทวปี ยโุ รปเกิดอุบัตเิ หตุ ทาให้มฝี นุ่ กมั มันตรงั สปี รมิ าณมากลอยกระจายในอากาศเป็น

33 บริเวณกว้างเป็นเหตใุ ห้อาหารประเภทเนื้อสัตว์ นม และพชื ผกั ในบริเวณนั้นมีการปนเป้ือนกมั มนั ตรังสีสูงกวา่ ปกติ จนเกินระดับความปลอดภยั ทมี่ นษุ ยจ์ ะได้รับ และหลายประเทศไดง้ ดซือ้ อาหารจากแหลง่ ท่ีมีกมั มันตรงั สี สูง เพราะถ้าบริโภคเขา้ ไปจะเปน็ อันตรายต่อรา่ งกาย นอกจากท่ีกลา่ วมา การปนเป้ือนรงั สอี าจเกดิ จากโรงพยาบาลท่ีมีการบาบัดด้วยรงั สี จากโรงงานทใ่ี ช้ เครื่องปฏิกรณน์ วิ เคลยี ร์ และโรงไฟฟ้านวิ เคลยี ร์ เพราะสถานท่เี หล่านมี้ สี ่ิงของทปี่ นเปื้อนด้วยสารกัมมนั ตรังสี รวมอยดู่ ว้ ย หากไม่มรี ะบบกาจดั ของเสียที่ถกู ต้องและเหมาะสม กจ็ ะทาให้มีการแพร่กระจายกัมมนั ตรงั สี ซึ่ง จะทาใหส้ ภาพแวดลอ้ มเสียหาย และเป็นอันตรายตอ่ ชวี ติ มนษุ ย์ โดยปกตสิ ารกัมมนั ตรงั สีเมื่อหมดอายุการใช้ งานในดา้ นการแพทยแ์ ละอตุ สาหกรรมแล้วจะถูกเก็บใส่กล่องโลหะที่ผนกึ ปิดแน่นหนา แลว้ นาไปฝังกลบเพ่ือให้ รังสีสลายไปตามธรรมชาติ 20.8.3 การป้องกนั อนั ตรายจากรังสี อนั ตรายจากรังสนี ั้นขนึ้ อยู่กับหลายปจั จยั เช่นปรมิ าณพลงั งานจากรงั สตี ่อมวลของเนอ้ื เย่ือที่ถูกรังสี และความสาคญั ของอวัยวะส่วนทถี่ ูกรังสี ดังนน้ั ผู้ทจ่ี ะนาสารกมั มนั ตรังสีไปใชป้ ระโยชน์ไม่ว่าในดา้ นการแพทย์ การเกษตร อตุ สาหกรรม ตลอดจนการคน้ คว้าทางด้านวทิ ยาศาสตร์ จะต้องมีความรเู้ รื่องรงั สีเปน็ อย่างดี คอื รู้จักวิธใี ช้อย่างปลอดภยั และวธิ ีป้องกันอนั ตรายจากรังสี หลักการป้องกันอนั ตรายจากรังสี 1. เนือ่ งจากปริมารรงั สีที่รา่ งกายได้รับขน้ึ กับเวลา เชน่ ถา้ เดินไปในบรเิ วณท่ีมรี งั สีนาน 20 นาที จะได้รบั รงั สีประมาณ 2 เทา่ ของผ้ทู ่ีเขา้ ไปในบรเิ วณนั้นนานเพยี ง 10 นาที ดังน้นั ถา้ จาเปน็ ตอ้ งเข้าใกล้ บริเวณที่มธี าตุกัมมนั ตรงั สีควรใชเ้ วลาสน้ั ท่ีสดุ เทา่ ทจี่ ะทาได้ 2. เนอ่ื งจากปริมาณรังสจี ะลดลงถา้ บรเิ วรนั้นอยู่ไกลจากแหล่งกาเนิดรังสมี ากขนึ้ ดงั นน้ั จึงควรอยู่ห่าง บริเวณทม่ี ีธาตุกัมมนั ตรังสีให้มากท่ีสุดเทา่ ท่ีจะมากได้ 3. เนือ่ งจากรังสีตา่ งชนิดกัน มีอานาจในการทะลุผา่ นวัสดุไดด้ ีต่างกนั ดังนัน้ จงึ ควรใช้วัสดทุ ่ีรงั สที ะลผุ ่าน ได้ยากมาเปน็ เคร่ืองกาบัง เช่น ตะก่วั หรอื คอนกรีต ซง่ึ สามารถเปน็ เคร่ืองกาบงั รังสีแกมมาและรังสี บีตาได้ดี และนยิ มใช้น้ามันเป็นเครอื่ งกาบงั นวิ ตรอน ในประเทศไทย เม่อื วันท่ี 18 กุมภาพันธ์ พ.ศ.2543 คนเก็บของเก่าเพอ่ื นาไปขายได้นากล่องโลหะท่ี บรรจโุ คบอลต์-60 ไปแยกชน้ิ สว่ นเพอื่ นาโลหะไปขาย ทาให้รงั สีกระจายไปถกู ตนเองและผอู้ ่นื เปน็ เหตุให้มี ผูเ้ สยี ชีวิตและเจบ็ ปว่ ยจานวนหนงึ่

34 รูป20.31 ตัวอยา่ งสัญลักษณ์แสดงว่ามรี ังสี ในการทางานทเี่ กี่ยวกับรงั สนี ั้น มกั ใช้ห่นุ ยนต์ หรอื แขนกลสัมผสั ธาตุกมั มันตรงั สีแทนการใช้มนษุ ย์ โดยผคู้ วบคมุ หหนุ่ ยนตจ์ ะอยู่หา่ งออกไป แล้วใช้ระบบรีโมตหรืออิเล็กทรอนิกสค์ วบคุมการทางานของ แขนกล โดยปกตแิ ล้วสิ่งมชี วี ติ ในโลกไดร้ ับรังสีตามธรรมชาติอยตู่ ลอดเวลาแต่ในปริมารน้อยไมถ่ ึงกับเปน็ อนั ตราย ปัจจบุ ันได้มีการนารังสีจากธาตกุ ัมมนั ตรงั สไี ปใช้อยา่ งแพร่หลายและมแี นวโน้มทจี่ ะใช้มากย่ิงขึ้น ในอนาคต จงึ จาเปน็ ตอ้ งหาทางป้องกัน และศกึ ษาอนั ตรายท่ีจะเกิดจากรงั สเี พอื่ ใหก้ ารใช้รังสีจากธาตุ กมั มนั ตรังสีเป็นประโยชนแ์ ละปลอดภยั ต่อบคุ คลทุกฝ่ายที่เกย่ี วขอ้ ง