ฟิสิกส์นิวเคลียร์ (PYE481)

ฟสิ ิกส์นิวเคลยี ร์ จนั ทร์ทมิ า ไชยลี 61102010269

1 20.3 การสลายของนิวเคลียสกมั มันตรังสี การสลายตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียม-238 พบวา่ นอกจากจะมีทอเรยี ม-234 และมีอนุภาคแอลฟา ออกมา ทอเรยี มยงั สลายต่อไปเป็นโพรแทกทิเนยี ม-234 พรอ้ มปล่อยอนุภาคบีตาและรังสแี กมมาออกมาด้วย โพรแทกทเิ นยี ม-234 จะสลายต่อไปอีก เขียนลาดับการสลายของนวิ เคลียสยเู รเนยี ม-238 เปน็ อนกุ รมได้ดัง ตาราง 20.2 ในตารางสัญลักษณ์ α, ������ และ γ ทเี่ ขยี นกากับลกู ศรนน้ั แสดงชนิดของอนภุ าค หรอื รังสีทไ่ี ดจ้ าก การสลาย สาหรบั ตะกว่ั -206 เปน็ สดุ ทา้ ยในอนุกรม ซ่ึงเปน็ ธาตุเสถยี ร (stable element) จงึ ไม่มีการสลาย ต่อไปอกี ตาราง 20.2 ลาดับการสลายของธาตุกัมมันตรังสใี นอุกรมของยูเรเนยี ม-238 คร่ึงชวี ิต หมายถึง ช่วงเวลาท่อี ะตอมของธาตุกัมมนั ตรงั สีลดจานวนลงเหลอื คร่ึงหน่ึงของจานวน เร่ิมตน้

2 นอกจากอนุกรมการสลายของยเู รเนียม-238 พบว่ามอี ีก 2 อนุกรมซึง่ เปน็ การสลายของธาตุ กมั มนั ตรังสีธรรมชาติ ไดแ้ ก่ อนุกรมทีเ่ ริม่ ตน้ ดว้ ยยูเรเนยี ม-235 โดยมตี ะกัว่ -208 เป็นธาตุสุดทา้ ยในอนุกรม และอนุกรมทเี่ ริ่มต้นด้วยทอเรียม-232 โดยมตี ะกวั่ -208 เป็นธาตสุ ุดทา้ ยในอนุกรม ในการสลายของธาตุกัมมนั ตรังสีในอนกุ รมของยูเรเนียม-238 พบวา่ อะตอมของพอโลเนียม-218 จะ ลดจานวนลงครึ่งหน่ึงในเวลาเพยี ง 3.05 นาที ในขณะท่ีอะตอมของเรเดียม-226 ต้องใช้เวลาถงึ 1620 ปี จึงจะ ลดจานวนลงคร่ึงหน่ึง จะเหน็ วา่ ธาตกุ มั มันตรงั สแี ต่ละชนดิ อัตราการสลาย ในปี พ.ศ. 2445 รดั เทอร์ฟอร์ด และซอดดี ไดต้ ้ังสมมตฐิ านเพ่ือใช้อธิบายการสลายของธาตุ กัมมันตรังสี ดงั นี้ 1. ธาตกุ มั มันตรังสจี ะสลายกลายเปน็ ธาตุใหมด่ ้วยการปลอ่ ยอนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคบตี า ธาตใุ หม่ ท่ไี ด้จากการสลายมีสมบัติทางเคมที ผี่ ดิ ไปจากธาตุเดิม และธาตใุ หมอ่ าจจะเป็นธาตุกมั มนั ตรงั สีกไ็ ด้ 2. การสลายของธาตุกัมมนั ตรังสีไม่ข้ึนกับสภาพแวดล้อมภายนอกนวิ เคลียส เช่น อณุ หภมู ิ ความดัน เป็นตน้ แตก่ ารสลายจะเป็นไปตามหลักการทางสถิติที่เกยี่ วกบั โอกาสและกระบวนการแบบส่มุ เชน่ ถ้ามีธาตุ กมั มนั ตรงั สีอยู่จานวนหน่ึง เราไม่สามารถบอกไดว้ า่ นวิ เคลียสใดในธาตนุ ้ันจะสลายก่อนหรอื หลัง กลา่ วไดว้ า่ ทุกนวิ เคลยี สมีโอกาสเทา่ ๆ กันทจี่ ะสลายในชว่ งเวลาหนึ่ง และโอกาสท่วี ่าน้จี ะไม่ขึน้ กับสภาพแวดลอ้ มและเวลา นอกจากน้ี อตั ราการสลายของนวิ เคลยี สของธาตุกัมมันตรงั สีขณะหนึง่ จะแปรผนั ตรงกบั จานวนนวิ เคลยี ส ของธาตุกัมมันตรงั สนี น้ั ที่มอี ยูใ่ นขณะนนั้ ถ้าให้ ������ เป็จานวนนวิ เคลยี สของธาตกุ ัมมันตรังสีทีม่ ีอยู่ขณะเวลา ������ ∆������ เป็นจานวนนวิ เคลยี สท่ีสลายไปในช่วงเวลาสั้นๆ ∆������ นับจากเวลา ������ ดังน้นั ∆������ แสดงจานวนนวิ เคลียสที่สลายไปในหน่งึ หนว่ ยเวลา คอื อัตราการสลายของนิวเคลยี ส ณ ∆������ เวลา ������ ปริมาณน้เี ปน็ ปริมาณที่แปรผนั ตรงกับจานวนของนิวเคลียสทม่ี ขี ณะน้ัน เขียนความสมั พันธ์ ไดว้ ่า ΔN ∝N ∆t หรอื ∆N = -λN ∆t (20.1) โดยท่ี λ เปน็ ค่าคงตวั ของการแปรผนั มีคา่ ขนึ้ อยกู่ ับนวิ เคลียสของธาตุกัมมันตรงั สีค่าคงตัวนี้ เรียกวา่ คา่ คงตวั การสลาย (Decay constant) เครื่องหมายลบแสดงการลดจานวนของนวิ เคลยี สเมอื่ เวลาผ่านไป ถ้าชว่ งเวลา Δ������ มคี า่ นอ้ ยมาก (∆������ → 0) เราสามารถใช้ความรู้แคลคลู ัส เขยี นสมการ (20.1) ไดเ้ ปน็ ∆������ ������������ ∆������ ������������ lim = = −������������ ∆������→0

3 หรอื − ������������ = λ������ (20.2) ������������ ปริมาณ − ������������ บอกอตั ราการลดลงของจานวนนิวเคลยี สของธาตกุ ัมมันตรังสี คอื อตั ราการแผ่รงั สี ������������ ในขณะใดขณะหน่ึง เรยี กปรมิ าณน้วี า่ กมั มนั ตภาพ (activity) ของธาตุกมั มันตรังสี แทนด้วยสญั ลักษณ์ ������ จากสมการ (20.2) จะได้วา่ ������ = ������������ (20.3) ปรมิ าณน้ีหาไดจ้ ากจานวนนวิ เคลยี สทีส่ ลายตอ่ วนิ าที จงึ มหี นว่ ยตอ่ วนิ าที (������−1) ในระบบเอสไอ ������ มี หนว่ ยเปน็ เบก็ เคอเรล ใชส้ ญั ลักษณ์ Bq โดยที่ 1 Bq = 1������−1 ในทางปฏิบัตินยิ มกมั มันตรังภาพในหน่วยคูรี มีสัญลกั ษณ์ Ci โดย 1 คูรี มคี ่าเท่ากบั 3.7 × 1010 เบ็กเคอเรล จะเหน็ ว่ากัมมันตภาพ 1 ครู ี มคี ่าสูงมาก จงึ นยิ มใช้หน่วยที่เล็กกว่า คือ มลิ ลิคูรี และไมโครคูรี สญั ลกั ษณ์ mCi และ μCi ตามลาดับ 1 Ci = 3.7 × 1010Bq 1 mCi = 3.7 × 1010Bq 1μCi = 3.7 × 1010Bq ถ้าธาตุกัมมนั ตรงั สีธาตหุ นึ่ง สลายโดยปล่อยรงั สีบีตา ขณะที่ธาตนุ ้ีมีกมั มนั ตรังภาพ 1 คูรี จะสลายให้ อนุภาคบีตา 3.7 × 1010 ตัวต่อวินาที การวัดกัมมันตภาพของธาตุกมั มันตรังสี ทาได้โดยผา่ นรังสีไปในแก๊สซ่ึง อยู่ในเคร่ืองวัดรังรี (รปู 20.11) ทาใหแ้ กส๊ แตกตัวเปน็ ไอออน อัตราการแตกตัวเป็นไอออนทีว่ ดั ได้ขณะหน่ึงจะ แปรผนั ตรงกับกัมมนั ตภาพของธาตุในขณะน้นั รปู 20.11 เคร่ืองวัดรังสีแบบไกเกอร์ สมการ (20.2) เป็นสมการอนุพนั ธ์ จะไม่แสดงวธิ ีหาคาตอบของสมการนี้โดยวธิ กี ารทางคณิตศาสตร์ เพยี งแต่สรปุ วา่ สมการแสดงความสัมพันธร์ ะหวา่ ง N กับ t อยใู่ นรูป

4 ������ = ������0������−������������ (20.4) เมือ่ ������0 เป็นจานวนนิวเคลียสของธาตกุ ัมมันตรังสีเมือ่ เริ่มพจิ ารณา (������ = 0) ������ เป็นจานวนนิวเคลยี สของธาตุกัมมันตรังสที ี่ยังสลายหรือทีเ่ หลืออย่เู ม่ือเวลาผ่านไป ������ และ ������ เป็นคา่ คงตัวมีค่าประมาณเทา่ กับ 2.7182818 สมการ (20.4) อธิบายการสลายของธาตุกมั มนั ตรงั สเี ชงิ ปริมาณ เมื่อเขียนกราฟแสดงความสมั พนั ธ์ ระหวา่ ง N กับ t ตามสมการ จะได้กราฟดังรูป 20.12 แสดงใหเ้ หน็ วา่ จานวนนิวเคลยี สกมั มันตรงั สจี ะเหลือ น้อยลงเม่ือเวลาผา่ นไป เรียกชว่ งเวลาของการสลายท่จี านวนนวิ เคลียสลดลงเหลือคร่ึงหน่ึงของจานวนเรมิ่ ตนั คร่งชีวติ (half life) ของธาตุกัมมันตรงั สี แทนด้วยสญั ลักษณ์ ������1 ธาตกุ ัมมนั ตรังสชี นดิ หนึ่งจะมคี ร่งึ ชวี ติ คงตวั 2 และมีค่าแตกตา่ งจากครึ่งชวี ิตของธาตุกมั มนั ตรังสีอน่ื ๆ ดงั ตัวอย่างที่แสดงในตาราง 20.2 และ 20.3 รปู 20.12 จานวนนวิ เคลยี สของธาตกุ ัมมนั ตรังสที ่เี หลืออยู่ ณ เวลาตา่ งๆ ตาราง 20.3 ครึง่ ชวี ิตของธาตกุ ัมมนั ตรังสบี างธาตุ พจิ ารณากราฟในรูป (20.12) ตอนเริ่มตันมจี านวนนิวเคลยี สกมั มนั ตรงั สีอยทู่ ่ี ������0 เมื่อเวลาผ่านไปอีก ������1 น่นั คอื เวลาผา่ นไปเป็น 2������1 จากเริ่มตน้ จานวนนิวเคลียสกัมมันตรงั สีก็จะลดลงอีกครง่ึ หนง่ึ ของจานวนที่ 22 ������0 ในทานองเดยี วกัน ถา้ เวลาผ่านไปเป็น 3������1 , 4������1 จากตอนเรม่ิ ตน้ ก็จะมีจานวน เหลอื คือ จะเหลอื เพยี ง 22 4 ������0 ������0 นวิ เคลยี สกมั มนั ตรังสีเหลอื เป็น , ตามลาดับ คือ ถา้ เวลาผ่านไป ������������1 จากตอนเร่ิมต้น จานวนนวิ เคลียส 8 16 2 ������0 ของธาตุกัมมันตรังสจี ะเหลืออยู่ (������) เทา่ กบั เขยี นได้วา่ 2������

5 เมอื่ เวลาผ่านไป ������ ใดๆ โดยท่ี ������ มีค่าเปน็ จานวนเต็ม ������ เท่าของ ������1 หรอื ������ = ������������1 จะมีนวิ เคลยี ส 22 เหลืออยู่ ������ โดยที่ ������ = ������0 (20.5) 2������ จากสมการ (20.5) ถ้าพจิ ารณาเวลา ������ = ������1 ขณะนน้ั มีจานวนนวิ เคลียสกัมมันตภาพรังสี ������ เท่ากับ 2 ������0 2 ������ −������������1 = ������0 2 เม่อื แทนในสมการ (20.4) จะได้ 2 ������0 หรือ 1 = 2 ������ −������������1 = 2 2 จาก ln(������)������ = (������) จะไดว้ ่า ������������1 = ln 2 2 = 0.693 ดังนน้ั ������1 = 0.693 (20.6) ������ 2 จากสมการ (20.6) แสดงวา่ ธาตกุ ัมมันตรงั สที ม่ี ีคา่ คร่งึ ชีวติ มากจะมีคา่ คงตวั การสลายน้อย กลา่ วได้ว่า ค่าคงตวั ของการสลายแสดงถึงโอกาสของการสลายของนวิ เคลียสกมั มันตรังสใี นหนึ่งหนว่ ยเวลา เชน่ โพร แทกทิเนียม- 234 สลายไปเป็นยูเรเนียม-234 มีคร่งึ ชวี ติ 1.18 นาที และค่าคงตัวของการสลายคานวณจาก สมการ (20.6) ได้ λ = 0.693 (1.18������������������)(60s/������������������) ≃ 1 ������−1 100 ซ่ึงหมายความว่าในเวลา 1 นาที โอกาสกาสลายของนวิ เคลียสของธาตุโพรแทกทิเนยี มจะเปน็ 1 ใน 100 โดยประมาณ ในทางปฏิบัตินั้น การหาจานวนนิวเคลียสโดยตรงทาได้อย่าง ดังนั้นการศึกษาการสลายของธาตุ กมั มันตรังสีจากสมการ (20.4) โดยตรงจงึ ไมส่ ะดวก แตถ่ ้าแทนสมการ ������ = ������0������−������������ (20.4) ลงในสมการ − ������������ = λ������ (20.2) จะได้ ������������ ������������ ������������ = −������������0������−������������ และให้ ������0 เปน็ กัมมนั ตภาพขณะเร่มิ ตน้ (������ = 0) ������ เปน็ กมั มนั ตภาพที่เวลา ������ ใดๆ นับจากเริ่มต้น

6 จะได้ ������0 = +������������0 และ ������ = − ������������ นน่ั คือ ������������ (20.7) ������ = ������0������−������������ สมการ ������ = ������0������−������������ (20.7) มรี ูปสมการเหมือนกบั สมการ ������ = ������0������−������������ (20.4) และเน่ืองจาก กมั มันตภาพเป็นปรมิ าณท่ีสามารถหาไดจ้ ากอตั ราการแตกตัวเปน็ ไอออนของแกส๊ ในเคร่ืองวดั รงั สที ก่ี ลา่ ว มาแลว้ จึงสามารถศึกษาการสลายของธาตกุ ัมมันตรงั สโี ดยใช้สมการ (20.7) นอกจากนเี้ ราอาจใชส้ มการ (20.4) และ (20.7) บอกถงึ การเปลย่ี นแปลงมวลของธาตุกัมมนั ตรังสที ี่ เวลาขณะหน่งึ ได้ ทง้ั น้ีเพราะจานวนนิวเคลียสแปรผันตรงกับมวลของธาตุ เช่น ถา้ มีเรเดียมอยู่ 20 กรมั โดย เรเดียมมเี วลาครึ่งชีวิต 1620 ปี บอกไดว้ า่ หลังจากนไี้ ปเปน็ เวลา 1620 ปี จะมีเรเดยี มเหลอื อยู่เพยี ง 10 กรมั ผสมกับธาตทุ ีเ่ ปน็ ผลจากการสลายตัว เป็นต้น ถา้ ให้ ������0 เป็นมวลของธาตุกัมมนั ตรงั สีขณะเร่มิ ตน้ พจิ ารณา ซึ่งเวลานัน้ จานวนนวิ เคลียสเปน็ ������0 ������ เปน็ มวลของธาตกุ ัมมันตรงั สีที่เวลา ������ ใดๆ นับจากเร่มิ ตน้ ทีเ่ วลานมี้ จี านวนิวเคลียสเปน็ ������ จะได้ ������ = ������0������−������������ (20.8) ตวั อยา่ ง 1 ธาตุกัมมนั ตรงั สไี อโอดนี -126 มคี ร่ึงชวี ติ 13.3 วัน ถา้ ในขณะหนึ่งไอโอดีนน้ีมีมวล 10 กรมั จงหาว่า ก. จะตอ้ งใชเ้ วลานานเท่าใด จึงจะเหลไิ อโอดีน-126 จากการสลายเทา่ กบั 2.5 กรัม ข. ถา้ เวลาผา่ นไป 20 วนั จะมีไอโอดนี -126 เหลืออยู่กีก่ รัม แนวคดิ การเปล่ียนแปลงมวลของธาตกุ ัมมนั ตรังสีทเี่ วลาขณะหนงึ่ หาไดจ้ าก ������ = ������0������−������������ ดงั นัน้ กรณีที่รู้ มวลกอ่ นการสลายและมวลหลงั การสลาย เราสามารถหาเวลาท่ที าใหม้ วลเร่มิ ต้นสลายจนเหลอื มวลท่กี าหนดได้ จากสมการ สว่ นกรณีท่รี ูม้ วลเร่ิมตน้ และรู้เวลาในการเปล่ียนแปลงมวล สามารถหามวลท่ีเหลอื จากการสลายได้ จากสมการข้างตน้ เช่นกนั วิธีทา ก. ระยะเวลาท่ีไอโอดนี กัมมนั ตรังสี 10 กรมั สลายไปบางส่วนและเหลอื อยู่ 2.5 กรมั หาไดจ้ าก สมการ (20.8) คือ ������ = ������0������−������������ โดยท่ี ������ = 2.5 g , ������0 = 10 g สาหรับ λ หาไดจ้ ากสมการ (20.6) มคี รงึ่ ชีวติ 13.3 วนั λ = 0.693 13.3 d = 0.0521 d−1 แทนค่าลงในสมการ (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 ตอ้ งใชเ้ วลา 26.6 วนั ไอโอดีน-126 จึงเหลือ 2.5 กรัม ข. การหาธาตุกมั มันตรงั รงั สีทเ่ี หลืออยขู่ ณะเวลา ������ ใดๆ หาได้จากสมการ (20.8) คือ ������ = ������0������−������������ โดยที่ ������0 = 10 g , ������ = 20 d , ������ = 0.0521 d−1 แทนคา่ ลงในสมการ (20.8) จะได้ ������ = (10g)(������−(0.0521������−1)(20d)) = (10g)(������−1.0420) (������−1.0420) = 0.353 ������ = (10g)(0.353) ������ = 3.53g ตอบ เมือ่ เวลาผา่ นไป 20 วนั จะมีปรมิ าณไอโอดนี -126เหลืออยู่จากการสลายเท่ากับ 3.53 กรมั 20.4 ไอโซโทป เมอื่ พิจารณาอนุกรมการสลายของธาตุกัมมนั ตรังสี พบวา่ isotopes มาจากภาษากรกี นวิ เคลยี สบางกลมุ่ มีเลขอะตอมท่ากัน แต่มเี ลขมวลตา่ งกนั เช่น iso แปลว่า เหมอื นกนั อยา่ งเดยี วกัน กลมุ่ ของยูเรเนียม มยี เู รเนยี ม-234 ยเู รเนยี ม-235 และยเู รเนยี ม-238 tope แปลว่า สถานท่ี นิวเคลยี สมเี ลขอะตอมหรือจานวนโปรตอนเท่ากันคือ 92แต่มจี านวน นิวตรอนในนวิ เคลียวตา่ งกัน เราเรียกนวิ เคลียสม่มี จี านวนโปรตอน isotopes หมายถงึ อย่ใู นตาแหนง่ เดยี วกัน ในตารางธาตุ กล่าวคือ เปน็ ธาตเุ ดียวกัน เทา่ กนั แตจ่ านวนนิวตรอนต่างกันว่า ไอโทป (isotopes) ของธาตุเดียวกัน ไอโซโทปของธาตุมชี นิดที่ไม่เถียรเรยี กวา่ ไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioisotopes) และชนดิ ทไี่ ม่มีการ สลายต่อไปเรียกวา่ ไอโซโทปเสถยี ร (stable isotopes) เช่น ไอโซโทปของตะก่ัวมหี ลายชนิด เปน็ ไอโซโทป เสถยี ร 4 ชนิด คือ ตะกวั่ -204 ตะก่วั -206 ตะกวั่ -207 และตะกั่ว-208 ไอโซโทปกมั มนั ตรังสี เช่น ตะกวั่ -210 และตะกว่ั -214 สาหรับธาตุบางธาตุมีแต่ไอโซโทปกัมมันตรังงสเี ทา่ นัน้ เน่อื งจากไอโซโทปของธาตุเดียวกนั มีแลขอะตอมเท่ากัน แตเ่ ลขมวลต่างกัน จงึ มีคุณสมบัติทางเคมี เหมือนกันแต่สมบตั ิทางกายภาพตา่ งกัน ดังนนั้ การวิเคราะหไ์ อโซโทปของธาตุชนดิ จึงไม่สามารถกระทาได้โดย อาศัยปฏิกิรยิ าเคมี เนื่องจากไอโซโทปมคี ุณสมบตั ติ า่ งกนั เช่น มีมวลตา่ งกัน การวเิ คราะห์ไอโซโทปจึงสามารถ กระทาไดโ้ ดยจาแนกมวล มวลของไอโซโทปของธาตชุ นิดเดียวกนั มีความแตกต่างกันยอ้ ยมาก การวเิ คราะห์ ไอโซโทปจึงต้องใชเ้ ครื่องมอื ท่ีสามารถวัดมวลได้ละเอยี ดมาก โดยใชเ้ ครือ่ งมือ แมสสเปกโทรมเิ ตอร์ (mass spectrometer) ในการหามวล

8 รปู 20.14 สว่ นประกอบทส่ี าคัญของแมสสเปกโทรมเิ ตอร์ แมสสเปกโทรมเิ ตอรเ์ ป็นเครื่องมอื ท่ีใชว้ ิเคราะห์มวลอะตอมของธาตตุ ่างๆ โดยอาศัยหลกั การเคล่ือนที่ ของอนภุ าคที่มปี ระจุไฟฟา้ ในสนามแมเ่ หลก็ และสนามไฟฟ้า สว่ นประกอบทีส่ าคญั ของแมสสเปกโทรมเิ ตอร์ คือ ส่วนเรง่ อนภุ าค สว่ นคัดเลือกความเรว็ ว และสว่ นวเิ คราะห์ ส่วนเรง่ อนุภาคมีหนา้ ท่ีทใหไ้ อโซโทปทเี่ ปน็ แก๊ส กลายสภาพเปน็ อนุภาคท่มี ีประจไุ ฟฟ้า จากนั้นอนภุ าคจะถูกเร่งโดยใชส้ นามไฟฟ้าใหพ้ ุ่งผา่ นเข้าไปยังส่วน คดั เลือกความเรว็ ประกอบด้วยบรเิ วณทีม่ สี นามไฟฟ้า ������ และสนามแม่เหล็ก ������ ซ่งึ มีทศิ ทางตัง้ ฉากกันและตั้ง ฉากกบั ทิศทางการเคล่อื นที่ของอนุภาคที่ผา่ นเข้ามา ดงั รปู 20.15 ดังนน้ั แรงทก่ี ระทากับอนุภาคเนอ่ื งจาก สนามทัง้ สองจึงมที ิศทางตรงข้าม รปู 20.15 หลกั การทางานของส่วนคดั เลอื กความเร็ว ถ้าอนภุ าคมคี วามเร็วพอเหมาะ ขนาดของแรงเนอื่ งจากสนามทัง้ สองจะมีค่าเทา่ กันและมีทิศทางตรง ขา้ ม จงึ ทาใหเ้ กดิ สมดุลของแรง มผี ลให้อนุภาคเคล่ือนท่ตี ่อไปโดยไมเ่ ปล่ียนแนวการเคลื่อนท่ี และพุ่งตรงไป ผา่ นช่องเปดิ อีกช่องหนงึ่ ได้ ส่วนอนุภาคทมี่ ีความเร็วต่างไปจากคา่ ท่ีพอเหมาะ มีแนวทางการเคลือ่ นที่เบยี่ งเบน ไป ทาให้ไม่สามารถผา่ นช่องน้ีไปได้

9 ถ้าใหอ้ นภุ าคซึง่ มีประจุ +������ เคลื่อนทผี่ า่ นช่องเปิดที่หนึ่งเข้ามาในบรเิ วณทีม่ ีสนามไฟฟ้า ������ และ สนามแม่เหลก็ ������ มอี ตั ราเร็วเท่ากบั ������ เมอ่ื เกิดสมดงุ จะไดว้ า่ ������������������ = ������������ ������ หรือ ������ = ������ สามารถหาอัตราเร็ว ������ ไดจ้ ากอัตราส่วนของขนาดสนามไฟฟ้าและขนาดสนามแมเ่ หล็กในบริเวณสว่ น คดั เลือกความเรว็ ดังนั้นกลุม่ อนภุ าคทีม่ ีอัตราเรว็ น้จี ะเคลอ่ื นท่เี ขา้ สสู่ ว่ นวเิ คราะห์ ซ่ึงมีสนามแมเ่ หล็ก ������′ ที่มี ทิศทางตั้งฉากกับแนวการเคล่ือนท่ีของอนุภาค ทาใหเ้ กดิ แรงเนื่องจากสนามแมเ่ หล็กบงั คับใหอ้ นภุ าคที่มีมวล ตา่ งกันเคล่ือนท่ีเปน็ แนวโคง้ รปู วงกลมท่ีมรี ัศมีตา่ งกัน ดงั รปู 20.16 รปู 20.16 ส่วนวิเคราะห์ซึ่งไอโซโทปมวลตา่ งกนั จะเคล่ือนทดี่ ว้ ยรศั มีตา่ งกนั จากการเคลอ่ื นท่ีของอนุภาคทมี่ มี วลตา่ งกนั จะเคล่ือนท่ีเป็นแนวโค้งรูปวงกลมทีม่ รี ัศมตี า่ งกัน เมือ่ 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 ตรงกับงของแตล่ ะรัศมีความโคง้ และเน่ืองจากมวลของ แตล่ ะไอโซโทปแตกตา่ งกนั ดังนน้ั รศั มคี วามโค้งของแตล่ ะไอโซโทปจะแตกต่างกัน การวัดรศั มจี ึงเปน็ หลักการที่ เครอ่ื งมือวิเคราะห์ไอโซโทปได้ การวิเคราะหผ์ ล ������, ������, ������′, ������ เป็นค่าท่ไี ด้จากการทดลอง และ ������ คือประจุไฟฟา้ ของอนภุ าค ดังนั้น 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 รภาพของนิวเคลียส 12 จากสมมติฐานเรื่องโครงสร้างของนิวเคลยี ส ทาให้ทราบ องค์ประกอบของนิวเคลียส คือ โปรตอน และนิวตรอน ปัญหา คือ เหตุใดอนุภาคเหลา่ นี้จึงรวมกันอยู่เปน็ นิวเคลียสได้ทั้งๆ ท่ีมีแรงผลักทางไฟฟ้าระหวา่ ง โปรตอน และมแี รงอะไรในนิวเคลยี สทยี่ ึดอนภุ าคเหล่าน้ีไว้ 20.5.1 แรงนวิ เคลียร์ การทดลองเรอ่ื งการกระเจงิ ของอนุภาคแอลฟาโดยรัทเทอร์ฟอรด์ ทาให้ทราบว่า นิวเคลียสมปี ระจุ ไฟฟา้ บวก ยงั พบว่าอนุภาคแอลฟาสามารถเข้าใกลน้ วิ เคลียสของทองคาได้มากทส่ี ดุ ทร่ี ะยะ 3 × 10−14 เมตร เพราะมแี รงระหวา่ งไฟฟา้ ผลักอนภุ าคแอลฟาไว้ นักฟสิ กิ ส์จงึ ไม่สามารถหาขนาดแท้จริงของนวิ เคลียสจากการ ทดลองน้ีได้ การท่ีจะให้อนภุ าคเคล่อื นที่ถงึ นวิ เคลียสไดน้ น้ั อนุภาคที่ใช้ต้องไม่มปี ระจไุ ฟฟา้ และจากการ ทดลองของนักวิทยาศาสตร์หลายวิธสี ามารถสรุปไดว้ า่ นิวเคลียสมลี ักษณะเปน็ ทรงกลม และขนาดของ นิวเคลียสขึ้นอยู่กับจานวนนวิ คลอี ออนในนวิ เคลยี ส ดงั น้ี ถ้าให้ ������ เปน็ รัศมขี องนวิ เคลยี สทมี่ ีเลขมวล ������ จะได้ ������ ∝ ������1⁄3 หรือ ������ = ������0������1⁄3 ทาใหท้ ราบว่า ไฮโดรเจนมีเลขมวล 1 มรี ัศมีของนวิ เคลียสเท่ากับ 1.2 × 10−15 เมตร ส่วนทองทามี เลขมวล 197 รัศมขี องนิวเคลียสเท่ากบั 7.0 × 10−15 เมตร จะไดว้ า่ รัศมีของนวิ เคลียสทั้งหลายมี คา่ ประมาณ 10−15 เมตร ดังนัน้ นวิ เคลียสจงึ มีขนาดเล็กกว่าอะตอมประมาณแสนเทา่ นวิ เคลียสมขี นาดเลก็ มาก ทาให้โปรตอนกับโปรตอนในนิวเคลยี สอย่ใู กลก้ นั มากเป็นผลให้แรงผลัก ไฟฟ้าระหวา่ งโปรตอนกบั โปรตอนในนิวเคลียสมีคา่ สูงมาก แรงยังมคี า่ มากกว่าแรงดึงดูดระหว่างมวลมาก ดงั นน้ั การท่นี ิวคลีออนสามารถยึดกันอยู่ในนวิ เคลยี สได้จะต้องมีแรงดงึ ดดู อกี ประเภทห่ึงกระทาระหวา่ ง นิวคลอี อน แรงดังกลา่ วนต้ี อ้ งเปน็ แรงดงึ ดดู และมีคา่ มากกว่าแรงผลกั ระหวา่ งประจไุ ฟฟ้า แรงนเ้ี รียกวา่ แรงนวิ เคลยี ร์ (nuclear force) พิจารณาความหนาแนน่ ของนิวเคลยี ส เน่ืองจากนิวเคลียสมีรศั มีประมาณ 10−15 เมตร หรอื มี ปรมิ าตรประมาณ 10−45 ลกู บาศก์เมตร และมีมวลประมาณ 10−75 กิโลกรมั ดังนน้ั ความหนาแน่นของ นิวเคลยี สจะมคี ่าประมาณ 1018 กิโลกรมั ตอ่ ลูกบาศกเ์ มตร ความหนาแน่นเม่ือเทียบกบั ความหนาแน่สูงสุด ของออสเมยี ม เปน็ ธาตทุ ่ีมีความหนาแนน่ มากทส่ี ดุ คือ 2.25 × 104 กโิ ลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร จะเหน็ วา่ ความหนาแนน่ ของนวิ คลีออนในนวิ เคลยี สอดั ตัวกันอยู่อย่างหนาแนน่ มาก ดังนน้ั แรงนวิ เคลียร์ต้องมีค่า มหาศาล

13 ตวั อยา่ ง 2 จงคานวณรัศมแี ละความหนาแนน่ ของนิวเคลยี ส 28168������������ แนวคิด การหารัศมีของนวิ เคลยี สหาได้จากสมการ ������ = ������0������1⁄3 เมื่อไดค้ ่ารศั มีของนิวเคลียสแล้ว สามารถนาคา่ รัศมีไปหาปริมาตรของนิวเคลยี สเพ่ือที่จะได้นาคา่ ปรมิ าตรไปคานวณหาความหนาแนข่ อง นวิ เคลยี สจากสมการ ρ = ������ ������ วธิ ีทา จากสมการ ������ = ������0������1⁄3 แทนค่าจะได้ ������0 = 1.2 × 10−15 m ������ = 126 ������ = (1.2 × 10−15m)(216)1⁄3 = (1.2 × 10−15)(6) ������ = 7.2 × 10−15 หาความหนาแน่นจากสมการ ρ = ������ ������ ������ = 88������������ + 128������������ = (88 × 1.007276������ + 128 × 1.008665������) = (217.749408������)(1.660540 × 10−27 kg⁄u) m = 361.582 × 10−27 kg ������ = 4 ������������3 3 = (43) (3.1416)((7.2 ×)3 = 1.56 × 10−42m3 แทนคา่ m และ ������ ลงในสมการ ρ = ������ ������ 361.582×10−27������������ จะได้ ������ = 1.56×10−42 ������3 = 2.32 × 1017 kg⁄m3 ตอบ นวิ เคลียสของ 21868������������ มรี ัศมีเทา่ กับ 7.2 × 10−15 เมตร และความหนาแนน่ เท่ากบั 2.32 × 1017 kg⁄m3 กโิ ลกรมั ต่อลกู บาสก์เมตร \\

14 20.5.2 พลังงานยึดเหนย่ี ว การศึกษาโครงสรา้ งของอะตอม พบวา่ การท่อี ิเล็กตรอนไม่สามารถหลุดออกจากวงโคจรรอบ นิวเคลียสไดเ้ นอ่ื งจากมแี รงดงึ ดูดระหว่างประจบุ วกของนิวเคลยี สและประจลุ บของอิเล็กตรอน นอกจากนยี้ ัง พบวา่ ในกรณขี องไฮโดรเจนอะตอม ถา้ ให้พลงั งาน 13.6 MeV แกอ่ ิเล็กตรอน อิเลก็ ตรอนกจ็ ะหลดุ ออกจาก อะตอมได้ และพลังงานนี้เกยี่ วข้องโดยตรงกับแรงท่ยี ดึ อิเล็กตรอนไว้กับนิวเคลียส 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 เหนี่ยวของดวิ เทอเรยี มไดโ้ ดยการฉายรงั สีแกมมาไปกระทบดิวเทอรอน พบว่ารงั สแี กมมาต้องมีพลังงานไมน่ อ้ ยกวา่ 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 ออกจากมวลของดวิ เทอเรยี มดังน้ี มวลของดวิ เทอรอน = มวลของดวิ เทอเรียม - มวลของอเิ ล็กตรอน 1 ตวั = 2.014102 u – 0.000549 u = 2.013553 u สาหรับผลรวมของมวลโปรตอนและนิวตรอนในดวิ เทอเรยี มหาไดด้ งั น้ี ผลรวมของมวลโปรตอนและนวิ ตรนในดวิ เทอเรียม = 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 มีค่าเท่ากบั = 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 จะเหน็ ว่า เม่ือโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกนั เปน็ ดิวเทอรอนน้นั จะมีมวลหายไปเทา่ กับ 2.015941u-2.013553u=0.002388u มวลที่หายไปเรียกว่า ส่วนพร่องมวล (mass defect, ∆������) ถา้ ใช้ความสมั พันธ์ระหวา่ งมวล ������ และพลงั งาน ������ ของไอนส์ ไตน์ท่ีว่า ������ = ������������2 เมื่อ ������ เปน็ อัตราเร็วของ แสงในสญุ ญากาศ เราสามารถหามวลท่หี ายไป ∆������ เทียบได้กับพลังงาน ∆������ ไดด้ ังน้ี ������ = (∆m)������2 = (0.002388������)(931.5Me ������⁄������) = 2.2MeV น่ันคอื พลงั งานทเี่ ทยี บกบั มวลทห่ี านไป 0.002388u มีค่าเท่ากบั 2.2 MeV กค็ ือ พลงั งานของรังสี แกมมาทีใ่ ชใ้ นการทาให้ดวิ เทอรอนแตกตวั เปน็ โปรตอนและนิวตรอน แสดงใหเ้ ห็นวา่ เราสามารถคานวณหา พลงั งานยึดเหนี่ยวไดจ้ ากส่วนพร่องมวล ในทางกลับกันนกั วิทยาศาสตร์ไดพ้ บว่า ถ้ายิงนิวตรอนไปชนนวิ เคลียสของไฮโดรเจน จะได้ดวิ เทอรอน และรังสีแกมมาทม่ี ีพลงั งาน 2.2 MeV ผลการทดลองแสดงให้เหน็ ว่า พลังงานท่ใี หใ้ หด้ ิวเทอรอนแตกตวั เปน็ ดวิ เทอรอน มีคา่ เท่ากับพลังงานทป่ี ล่อยออกทา เม่ือโปรตอนกับนวิ ตรอนรวมตวั กนั เปน็ ดิวเทอรอน ผลการ ทดลองท้ังสองน้ีสนบั สนุนความสัมพันธ์ระหวา่ งมวลกับพลงั งานของไอนส์ ไตน์ ในการคานวณหาส่วนพรอ่ งมวลหรอื พลังงานยดึ เหนย่ี วของธาตุต่างๆ คานวณโดยใชม้ วลอะตอมของ ของธาตุแทนมวลของนวิ เคลยี ส และใช้มวลอะตอมของไฮโดรเจนแทนมวลของโปรตอนเป็นผลให้มวล อเิ ลก็ ตรอนถกู หักล้างไป เชน่ ในกรณีคาร์บอน-12 ซ่งึ อะตอมของธาตุประกอบด้วยโปรตอน 6 ตวั อเิ ล็กตรอน 6 ตัว และนิวตรอน 6 ตัว ผลรวมของมวลองคป์ ระกอบของคาร์บอนของคารบ์ อน-12 หาไดจ้ ากผลรวมของ มวลอะตอมของไฮโดรเจน 6 ตวั กับมวลของนวิ ตรอน 6 ตัว ดังนี้ มวลอะตอมของไฮโดรเจน มีค่า 1.007825u มวลนวิ ตรอน มีค่า 1.008665u มวลองค์ประกอบของคาร์บอน-12 = มวลนวิ คลีออน + มวลอิเล็กตรอน = (มวลโปรตอน 6 ตัว + มวลนวิ ตรอน 6 ตัว) + มวลอเิ ลก็ ตรอน 6 ตวั = (มวลโปรตอน 6 ตัว + มวลอเิ ล็กตรอน 6 ตัว) + มวลนวิ ตรอน 6 ตวั = มวลอะตอมไฮโดรเจน 6 ตัว + มวลนวิ ตรอน 6 ตวั = (6)(1.007825u) + (6)(1.008665u) = 12.098940u มวลอะตอมของคารบ์ อน-12 มคี า่ 12.000000u ดังน้ัน ส่วนพรอ่ งมวลของคาร์บอน-12 ∆������ = (มวลองค์ประกอบของคาร์บอน-12) - (มวลอะตอมของคาร์บอน-12) = 12.098949u + 12.000000u = 0.098940 u พลังงานทเี่ ทียบกบั มวลที่หายไป คือ พลังงานยึดเหนยี่ ว

16 พลงั งานยึดเหนย่ี ว = (0.098940u)(931.5MeV/u) = 92.16 MeV สาหรบั คารบ์ อน-12 พลังงานยึดเหน่ยี วมีค่าเป็น 92.16 เมกะอเิ ลก็ ตรอนโวลต์ ในการคานวณขา้ งต้น พิจารณาผลต่างของมวลอะตอมจากตา่ งราง 20.4 จะเทา่ กับผลต่างของมวล ของนิวเคลยี สพอดี เพราะมวลของอเิ ล็กตรอนในอะตอมหักล้างกนั ไปหมดแล้ว ดงั นัน้ พลงั งานท่ีเทยี บเท่ากับ มวลทีห่ ายไปจึงหมายถงึ พลงั งานยึดเหนีย่ วของนวิ คลีออนในนิวเคลียสนนั้ ๆ จึงสามารถหาส่วนพรอ่ งมวลไดจ้ าก สว่ นพรอ่ งมวลของอะตอม = มวลองค์ประกอบของอะตอม – มวลอะตอม = (มวลของอะตอมไฮโดรเจน Z ตัว) + (มวลนิวตรอน (A-Z) ตัว) - (มวลอะตอม) ตัวอยา่ ง 3 จงหาพลังงานยึดเหน่ียวของ ก. 168O, ข. 1357Cl, ค. 2555Mn แนวคิด พลงั านยดึ เหนีย่ วเท่ากบั พลงั งานทเ่ี ทยี บเท่าสว่ นพร่องมวล โดยส่วนพร่องมวลหาได้จากสว่ นพร่อง มวลของมวลอะตอม = มวลองคป์ ระกอบของอะตอมข – มวลอะตอม วธิ ที า ก. ส่วนพรอ่ งมวลของอะตอม 168O = มวลองคป์ ระกอบของ 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 = พลังงานท่ีเทียบเท่าส่วนพร่องมวล = (0.137005u)(931.5 MeV⁄u) = 127.62015 MeV ข. ส่วนพร่องมวลของอะตอม 3175Cl = มวลองค์ประกอบของ 1375Cl - มวลอะตอม 3175Cl หรือ ∆������ = (17������������ + 18������������ + 17������������) − ������������������−35 = [17(1.007276������) + 18(1.008665u) + 17(0.000549u)] − 34.968853������ = 0.137005 ������ พลังงานยึดเหนี่ยว = พลังงานที่เทยี บเทา่ ส่วนพร่องมวล = (0.320142u)(931.5 MeV⁄u) = 298.21227 MeV ค. ส่วนพรอ่ 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 เหนี่ยว = พลังงานทีเ่ ทยี บเท่าสว่ นพร่องมวล = (0.517527u)(931.5 MeV⁄u) = 482.0764 MeV ตอบ ก. พลังงานยดึ เหนี่ยวของ 168O เทา่ กับ 127.6 เมกะอเิ ล็กตรอนโวลต์ ข. พลังงานยดึ เหน่ยี วของ 1357Cl เทา่ กบั 298.2 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ ค. พลงั งานยดึ เหน่ยี วของ 2555Mn เทา่ กบั 482.1 เมกะอเิ ล็กตรอนโวลต์

17 จากการคานวณพลงั งานยดึ เหนยี่ วของธาตตุ า่ งๆ พบว่า พลังงานยดึ เหน่ยี วมีคา่ มากขึน้ เม่ือจานวนนวิ คลีออนใน นวิ เคลียสมากขึน้ ดงั กล่าวกราฟในรูป 20.17 รปู 20.17 กราฟแสดงความสัมพันธร์ ะหวา่ งพลงั งานยึดเหนี่ยวของนิวเคลยี สกบั เลขมวล กลา่ วไดว้ า่ พลังงานยึดเหน่ยี วขึน้ กับจานวนคลนี ิวออน ในการคานวณพลังงานยึดเหนย่ี ว ถ้า ตงั้ สมมติฐานวา่ นวิ คลอี อนแตล่ ะตัวสง่ แรงนิวเคลียร์กระทาตอ่ นวิ คลีออนอืน่ ๆ ทเ่ี หลือท้ังหมดผลทจี่ ะแตกต่าง ไปจากราฟในรปู 20.17 มาก แตถ่ ้าคิดว่ามีแรงนิวเคลยี ร์กระทาระหวา่ งนวิ คลอี อนท่ีอยตู่ ิดกันแลว้ ผลการ คานวณจะตรงกบั กราฟในรปู 20.17 จึงสรปุ ไดว้ ่า แรงนิวเคลยี ร์เป็นแรงทก่ี ระทาในชว่ งระยะทางส้ันๆ กระทา ระหว่างนวิ คลีออนท่ีอย่ตู ดิ กนั เทา่ นนั้ ดงั รปู 20.18 รปู 20.18 แรงนวิ คลีเคลยี รเ์ ป็นแรงท่กี ระทาในระยะสนั้ ๆ และกระทาระหวา่ งนิวคลอี อนทต่ี ดิ กันเท่านั้น เนอ่ื งจากนิวเคลยี สของแตล่ ะธาตุมีจานวนนวิ คลอี อนต่าง ดังนั้นในการเปรยี บเทียบวา่ นิวเคลยี สใดมี เสถยี รภาพอยา่ งไร มโี อกาสแตกตวั หรอื เปล่ยี นไปเป็นนวิ เคลียสอ่ืนได้มากน้อยเพียงใด จึงตอ้ งพจิ ารณาจาก พลงั งานยึดเหน่ียวต่อนิวคลอี อน เพราะพลงั งานคานวณหาได้จากการหารพลังงานยดึ เหนี่ยวของนิวเคลียสด้วย จานวนนวิ คลอี อนของนิวเคลียสน้ัน เช่น คารบ์ อน-12 จะมีพลงั งานยึดเหนยี่ วต่อนวิ คลอี อนเทา่ กบั 92.16MeV 12 หรอื 7.68MeV เป็นตน้ โดยธาตุทม่ี ีพลังงานยึดเหนย่ี วตอ่ นวิ คลีออนสูงกวา่ จะเถยี รภาพมากกว่า พลงั งานยึด เหนย่ี วต่อนวิ คลีออนจะเปล่ยี นไปตามเลขมวลดงั กราฟในรูป 20.19 จะเหน็ วา่ ธาตุท่ีมีเลขมวลนอ้ ย เชน่ ดิวเทอเรยี ม พลงั งานยึดเหนยี่ วต่อนวิ คลีออนมีคา่ น้อย และธาตทุ ่มี ีเลขมวลมาก เช่น ฮเี ลยี ม

18 พลังงานยึดเหนีย่ วต่อนิวคลีออนจะเพ่ิมข้นึ อย่างรวดเร็ว และธาตใุ นชว่ งที่มีเลขมวลระหว่าง 50-90 พลงั งานยดึ เหนย่ี วตอ่ นวิ คลอี อนจะมีคา่ คอ่ นข้างคงตัว และเมื่อเลขมวลมคี า่ เกินช่วงนี้ พลังงานยึดเหนยี่ วตอ่ นิวคลีออนก็ จะค่อยๆ ลดลง สรปุ ได้ว่าในช่างทเี่ ลขมวลมคี ่าระหวา่ ง 50-90 พลังงานยดึ เหนยี่ วต่อนิวคลอี อนมีคา่ สูงสุด รปู 20.19 กราฟแสดงความสมั พันธร์ ะกวา่ งยดึ เหนีย่ วต่อนวิ คลีออนกับเลขมวล จากกราฟจะเห็นไดว้ ่า เหลก็ Fe56 มีพลงั งานยดึ เหนีย่ วต่อนิวคลีออนเท่ากบั 8.8 MeV ในขณะท่ี ยเู รเนียม U235 มีค่าพลังงานเทา่ กับ 7.6 MeV แสดงว่า การทาให้นิวเคลียสเหล็กแตกตวั เป็นนิวคลอี อนทาได้ ยากกว่ายเู รเนียม น่นั คือเหล็กมีเสถยี รภาพสงู กวา่ ยูเรเนียม ตวั อยา่ ง 4 จงหาพลังงานยึดเหนย่ี วต่อนวิ คลีออนของธาตุ 22868Ra กาหนดให้ มวลอะตอมของเรเดยี ม (22865Ra) เท่ากับ 226.025402u มวลอะตอมของไฮโดรเจน (11H) มีค่า 1.00782u มวลนวิ ตรอน มคี า่ 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) ตัว - 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 นิวคลอี อน ดงั นั้น พลงั งานยดึ เหนี่ยวต่อนวิ คลีออนมคี ่า = 1731.63 MeV 226 = 7.66 MeV ตอบ พลงั งานยดึ เหนย่ี วต่อนิวคลอี อนของ 22868������������ มคี ่า 7.66 เมกะอเิ ล็กตรอนโวลน์

20.6 ปฏิกริ ิยานวิ เคลียร์ 19 การเปลยี่ นสภาพนวิ เคลียสท่ีจะเหน็ ได้วา่ นิวเคลียสอาจมีท้ังการสลายเป็นนวิ เคลียสใหม่ และแตกตวั เป็นนิวคลอี อนได้ เช่น การแตกตัวของดวิ เทอรอนออกเป็นโปรตอนและนวิ ตรอนเม่ือได้รับพลงั งาน 2.22 MeV การยิงอนภุ าคแอลฟาให้พงุ่ ชนนิวเคลยี สของไนโตรเจนแล้วทาเกิดนิวเคลยี สของออกซเิ จนและโปรตอน การ สลายยของยเู รเนียม-238 ไปเป็นทอเรยี ม-234 และอนุภาคแอลฟา เปน็ ต้น กระบวนการทน่ี ิวเคลียส เปล่ยี นแปลงองค์ประกอบ เรียกวา่ ปฏกิ ริ ิยานวิ เคลยี ร์ (nuclear reaction) ปฏิกิรยิ านวิ เคลียร์ข้างต้นสามารถเขียนเป็นสมการได้ตามลาดับดังนี้ 21H + γ → 11H + 10n ; γ มีพลงั งาน 2.22 MeV 147N + 42He → 178O + 11H 23982U → 23940Th + 24He ในทุกสมการปฏิกริ ิยานวิ เคลยี ร์ (a, b) ของนวิ เคลยี ส X เชน่ ปฏกิ ริ ยิ า 147N + 24He → 178O + 11H เขยี นได้เป็น 147N(α, p)178O และจะเรยี กปฏิกริ ยิ า ผลรวมของเลขอะตอมทง้ั ก่อนและหลังเกิดปฏิกิรยิ า จะตอ้ งเท่ากัน แสดงวา่ ระจไุ ฟฟ้ารวมมคี า่ คงตัว และผลรวมของเลขมวลก่อนและหลงั เกิดปฏิกริ ิยากจ็ ะตอ้ ง เทา่ กันด้วย ซึ่งแสดงว่า จานวนนิวคลีออนรวมก่อนและหลังเกดิ ปฏิกริ ยิ าจะต้องคงตัว การชนระหวา่ งนิวเคลยี สกบั นิวเคลยี ส หรือระหว่างนวิ เคลียสกับอนุภาค เขียนปฏกิ ริ ิยาได้เปน็ X + a → Y + b หรือเขยี นได้อกี แบบหน่ึงเป็น X(a, b)Y โดยที่ X แทนนิวเคลยี สทเ่ี ป็นเปา้ A แทนอนภุ าคทงุ่ เข้าชนเปา้ B แทนอนุภาคทเี่ กดิ ขนึ้ ใหมห่ ลงั การชน Y แทนนวิ เคลียสของธาตุใหมท่ ่เี กิดขนึ้ หลงั การชน เรียกปฏกิ ิริยานีว้ า่ ปฏกิ ิริยา (a, b) ของนิวเคลยี ส X เช่น 147N + 42He → 178O + 11H เขยี นไดเ้ ปน็ 147N(α, p)178O และจะเรียกปฏิกิริยา (������, p) ของ 147N จะเห็นวา่ ปฏกิ ริ ิยานวิ เคลยี รท์ ่ีเสนอมานั้น มที ้ังการสลายทีเ่ กิดข้ึนเองของธาตุกัมมันตรังสี และการ แตกตัวของธาตเุ สถียรเมื่อมีอนุภาคมาชน ปฏิกริ ิยาประเภทหลงั มคี วามสาคัญตอ่ การศึกษาองคป์ ระกอบของ นิวเคลียสมาก เพราะทาใหท้ ราบว่าโปรตอนและนิวตรอนเป็นองค์ประกอบของนวิ เคลียส ยงั มคี วามสาคัญอ่นื ๆ อกี คือ ทาใหส้ ามารถผลลติ ไอโซโทปกัมมนั ตรังสีท่ีไม่มใี นธรรมชาติได้ เช่น ถา้ พจิ ารณาตาราง 20.4 ท่ีบอกมวล ของนิวเคลียสของธาตุต่างๆ จะเห็นวา่ ไม่มไี อโซโทปของธาตุบางธาตุ เช่น 17987Pt, 21802Pb, 23932U แตจ่ ากการศกึ ษาพบว่า สามารถผลิตไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาตขิ ึน้ มา เช่น 17987Pt เกดิ จากการยงิ นวิ ตรอนไป ชนแพลทินมั -196 ดงั สมการ 17986Pt + 10n → 17987Pt + γ โดย 17987Pt จะปลอ่ ยต่อไปเป็น 19779Au และจะปล่อยรังสบี ตี าออกมา เพราะคร่งึ ชีวติ 17987Pt เท่ากับ 20 ชั่วโมง ปจั จุบันมีการผลิตไอโซโทปกมั มันตรังสีมาใชแ้ ลว้ อาจนาปฏิกิริยานิวเคลยี รม์ าใชใ้ นการสรา้ ง นวิ เคลยี สของธาตใุ หม่ เช่น ทาปรอทให้เป็นทองคา ดงั นี้ 17986Pt + 21H → 19779Au + 01n

20 18909Hg + 21H → 19779Au + 24He 18908Hg + 01n → 19779Au + 12H 18908Hg + γ → 19779Au + 11H ปฏิกิรยิ าเหลา้ นี้จะเกดิ 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 +2392910Un → 2239393929NUp++γ −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 ซ่ึงพลังงานทีเ่ 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 + 24He + 1.19MeV → 178O + 11H

21 ในปฏกิ ิริยาขา้ งตน้ พบวา่ พลังงานยดึ เหนีย่ วของ 147N 42He และ 178O เทา่ กับ 104,66,28.29 และ 131.76 MeV ตามลาดับ ดังนนั้ ผลรวมของพลังงานยดึ เหนี่ยวก่อนเกดิ ปฏิกิรยิ าจงึ มีค่ามากกวา่ ผลรวมของ พลังงานยดึ เหนย่ี วหลังเกดิ ปฏิกริ ิยาเท่ากบั 1.19 MeV เท่ากบั พลังงานท่ีใชใ้ นการทาปฏิกริ ยิ านั่นเอง ในปฏกิ ริ ิยานิวเคลยี ร์บางปฏิกิรยิ ามีการปล่อยพลังงานออกมา ในกรณีผลรวมของมวลหลัง เกดิ ปฏิกิรยิ ามีคา่ นอ้ ยกว่าผลรวมของมวลก่อนเกดิ ปฏิกริ ิยา เช่น การรวมตัวของโปรตอนกับนิวตรอนเปน็ ดวิ เทอรอทมี่ รการปล่อยรงั สีแกมมาท่มี ีพลงั งาน 2.22 MeV ยังมกี รณีอน่ื ๆ อีก เช่น การยิงอนภุ าคโปรตอนให้ พงุ่ ชวิ เคลียสของลิเทยี ม คาวนณหาพลังงาไดด้ งั นี้ 73Li + 11H → 42He + 24He กอ่ นเกิดปฏกิ ริ ิยา หลงั เกิดปฏกิ ิริยา 37Li มีมวล 7.016005u 42He มีมวล 4.002604u 11H มีมวล 1.007825u 42He มีมวล 4.002604u มวลรวม 8.023830u มวลรวม 8.005208u เพราะมวลรวมก่อนเกดิ ปฏิกริ ิยามีคา่ มากกวา่ มวลรวมหลังเกดิ ปฏกิ ริ ิยาเทา่ กับ 0.018622u ดงั นั้น พลงั งานที่เทียบเทา่ กบั มวลค่านีเ้ ท่ากบั (0.018622u)(931.5MeV/u) หรอื เท่ากบั 17.34 MeV ในปฏิกริ ยิ าดังกลา่ ว โปรตอนและอนุภาคแอลฟาต่างก็มีพลังงาจลน์ พลงั งาน 17.34 MeV คอื ผลต่าง ระหว่างพลังงานจลน์ของอนุภาคแอลฟาทั้งสองกบั โปรตอน สมการของปฏกิ ิรยิ าเขยี นได้เป็น 37Li + 11H → 42He + 42He + 17.34MeV พลงั งานทเ่ี กิดจากปฏกิ ิริยานวิ เคลียรเ์ รียกวา่ พลงั งานนวิ เคลียร์ (nuclear energy) พลงั งานนี้อยู่รปู พลังงานจลนข์ องอนภุ าคหรือในรูปคลนื่ แมเ่ หลก็ ไฟฟ้ากไ็ ด้ ในทานองเดียวกนั ปฏกิ ริ ยิ านวิ เคลียรอ์ น่ื ๆ สามารถพจิ ารณาในแงข่ องพลงั งานยึดเหน่ียวได้ โดย พลงั งานยดึ เหนี่ยวของ 37Li และ 24He มคี ่า 39.24 และ 28.29 MeV ซง่ึ มากกว่าผลรวมของพลงั งานยดึ เหนี่ยว หลงั เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเทา่ กับ 56.58 MeV มากกว่าผลรวมของพลังงานยดึ เหน่ยี วก่อนเกดิ ปฏกิ ิริยาเท่ากบั 17.43 MeV สอดคล้องกับคา่ พลังงานนวิ เคลียร์ทห่ี าได้ การวิเคราะห์พลังงานจากปฏิกิรยิ านิวเคลยี ร์ สรปุ ได้ว่า “ในปฏกิ ิรยิ านิวเคลียร์ที่มีการปล่อยพลงั งาน ผลรวมของพลังงานยดึ เหนี่ยวหลังเกิดปฏิกริ ิยามีคา่ มากกวา่ ผลรวมของพลงั งานยดึ เหนยี่ วก่อน เกิดปฏิกริ ิยา”

22 20.6.1 ฟชิ ชัน เราสามารถทาใหน้ วิ เคลยี สของยูเรเนยี ม-235 แตกตัวออกเปน็ สองนิวเคลียสใหมท่ ่ีมขี นาดใกล้เคยี งกัน ซึ่งจะมีพลงั งานยึดเหน่ยี วต่อนิวคลีออนเพมิ่ ข้ึน เรียกปฏกิ ิริยาท่ีนิวเคลียสของธาตุหนักแตกตัวเปน็ นิวเคลียส ขนาดเลก็ กวา่ ว่า ฟิชชัน (fission) แบง่ ธาตอุ อกตามเลขมวลได้โดยประมาณดงั น้ี ธาตุเบา หมายถึง ธาตทุ ่มี ีเลขมวลอยู่ในชว่ ง 1-25 ธาตุขนาดปานกลาง หมายถึง ธาตุทม่ี เี ลขมวลอยใู่ นชว่ ง 25-150 และธาตุหนกั หมายถึง ธาตทุ มี่ เี ลขมวล ต้ังแต่ 150 ขึ้นไป การศึกษาฟชิ ชันน้ี เริม่ จากการท่รี ทั เทอรฟ์ อร์ดพบวา่ ปฏกิ ิริยานิวเคลยี ร์เกดิ ขนึ้ ไดโ้ ดยการยิงอนุภาค หน่งึ ให้เขา้ ชนนวิ เคลียสของธาตุ ตอ่ มา เฟร์มี นักฟสิ ิกส์ชาวอติ าลไี ด้พยายามผลิตธาตทุ ห่ี นกั วา่ ยเู รเนยี ม โดยยงิ นวิ ตรอนไปชนนวิ เคลยี สของยูเรเนยี มโดยหวงั นวิ ตรอนซึง่ มีสภาพเปน็ กลางทางไฟฟ้าจะเขา้ ไป รวมกบั นิวเคลียสเดิมกลายเป็นนวิ เคลียสใหม่ และนวิ เคลยี สใหม่จะสลายใหร้ ังสีบีตาออกมา พรอ้ มทั้งเปลีย่ น สภาพเป็นนวิ เคลียสของอีกธาตหุ น่ึงท่มี ีอะตอมสงู กวา่ ยเู รเนียม Enrico Femi (พ.ศ. 2444-2497) นกั ฟสิ กิ ส์ชาวอติ าลี มีความสนใจในอนภุ าคนวิ ตรอนมาก ในปี พ.ศ 2481 เขา ได้รับรางวลั โนเบลจากผลงานการค้นคว้าการสร้างธาตใุ หม่ โดยการนิงนวิ ตรอน และการค้นพบปฏิกิรยิ านิวเคลยี รท์ ี่ใช้ นิวตรอพลังงานต่า นอกจากนั้น เฟร์มยี งั เป็นผูร้ เิ ร่มิ อธิบาย เรือ่ งแรงนิวเคลียรแ์ บบอ่อน (weak nuclear force) และ ผู้ใหก้ าเนิดเครื่องปฏิกรณน์ วิ เคลียร์อกี ด้วย รปู 20.2 รูป 20.20 เฟรม์ ี ในปี พ.ศ. 2477 เฟรม์ ี พบว่า การยิงนิวตรอนไปชนวิ เคลียสยูเรเนียมนั้นทาใหไ้ ดธ้ าตุกัมมนั ตรงั สีใหม่ หลายธาตุ แต่ขณะนน้ั เขายงั ตรวจสอบไม่ไดว้ ่าเปน็ ธาตุใดบ้าง เนือ่ งจากปริมาณทเ่ี กดิ ขึ้นนอ้ ยมาก และวธิ กี าร แยกธาตใุ หม่ออกมาจากธาตุเดิมไม่ดีพอ ห้าปีต่อมา ฮาห์นและสตราสมนั น์ (รูป 20.21) ไดท้ าการตรวจสอบ ธาตุทีเ่ กิดใหม่พบวา่ ธาตุเกดิ ใหม่ตวั หน่ึง คือ แบเรยี ม-139 มีครง่ึ ชีวติ 86 นาที

23 จากการวิเคราะหด์ งั กลา่ วทาให้เกิดแนวความคิดว่าในปฏกิ ิริยานวิ เคลยี รน์ ้ี นิวเคลียสของยูเรเนยี มอาจ แตกตัวเป็นสองนวิ เคลียสทมี่ เี ลขมวลใกลเ้ คียงกัน และถ้าเป็นเช่นนน้ั จรงิ จะพบนิวเคลยี สทีม่ เี ลขอะตอมอยู่ ระหวา่ ง 90-100 และเลขอะตอมประมาณ 35 เกิดขน้ึ ด้วย ในเวลาตอ่ มาฮาหน์ และสตราสมันนไ์ ดพ้ บวา่ มธี าตุ ทม่ี เี ลขมวลและอะตอมเกิดขึ้นในปฏิกริ ยิ าน้ี ฮาห์นและสตราสมันน์ช้ีให้เหน็ นวิ เคลียสของธาตุหนกั เมื่อถกู ยงิ ดว้ ยนวิ ตรอนจะแตกตัวออกเปน็ นวิ เคลียสของ ธาตขุ นาดกลาง ต่อมาในปี พ .ศ. 2482 ไมท์เนอร์และออตโต ฟริช ไดอ้ ธิบายปฏิกิรยิ าทีน่ ิวตรอนพงุ่ เขา้ ชน นิวเคลยี สของยูเรเนียมทาให้เกิดนวิ เคลยี สขนาดกลางสองนิวเคลยี สนนั้ วา่ เป็นปฏิกิรยิ านวิ เคลียรแ์ บบฟชิ ชันวา่ ธาตุท่หี นักกวา่ ยูเรเนยี ม เช่น พลโู ทเนียมและเนปทเู นยี มก็สามารถเกิดฟชิ ชันได้เชน่ กนั การยงิ นิวตรอนไปชนนวิ เครปูลีย2ส0ข.2อ1งยสูเตรรเนายีสมนั อนก์ ไจมาทกเ์ จนะอทรา์แใลหะเ้ ฮกาิดหฟน์ ิชชนั แลว้ ในเวลาตอ่ มายงั พบดว้ ย Fritz Strassmann (พ.ศ. 2445-2523) Lise Meitner (พ.ศ.2445-2423) และ Otto Hahn (พ.ศ.2421-2511) ไมท์เนอรเ์ ป็นนกั ฟิสิกส์ชาวออสเตรีย แตไ่ ปทางานวิจยั เกยี่ วกับธาตกุ ัมมนั ตรงั สีท่ี ประเทศเยอรมนั กบั ฮาห์นซ่งึ เปน็ นกั เคมชี าวเยอรมนั ตง้ั แต่ พ.ศ.2451 ถึง พ.ศ. 2481ทงั้ คู่ไดร้ ับรางวัล เฟร์มีพร้อมกบั สตราสมันน์นักฟิสกิ ส์ชาวเยอรมนั ในปี พ.ศ. 2509 นอกจากนี้ ฮาหน์ ยังได้ทาการทดลอง ด้านฟสิ กิ สน์ ิวเคลยี รร์ ่วมกับสตราสมนั ต์ โดยพบวา่ เม่อื ยิงนิวตรอนเข้าชนยเู รเนยี มจะสามารถผลิต แบเรียมได้ ซึ่งเปน็ ปฏิกริ ิยาแบบฟชิ ชนั การคน้ พบนที้ าให้ฮาห์นไดร้ ับรางโนเบลสาขาเคมี ในปี พ.ศ. 2487 การศึกษาฟิชชนั ของยูเรเนียมในเวลาต่อมาพบวา่ นิวเคลยี สท่ไี ดจ้ ากการแตกตัวนน้ั มีมากกวา่ 40 คู่ ซ่งึ นวิ เคลียสเหล่านต้ี า่ งมีเลขอะตอมอยูร่ ะหว่าง 30 ถึง 63 และเลขมวลอย่รู ะหวา่ ง 72 ถึง 158 และทีส่ าคญั คอื นวิ ตรอนมพี ลงั งานสงู เกิดขึ้นทุกครั้งทน่ี ิวเคลยี สแตกตัว โดยเฉลย่ี ประมาณครง้ั ละ 2 ถึง 3 ตัว เชน่ ฟชิ ชนั ของยูเรเนียม-235 แสดงได้ดงั รูป 20.22 และสมการ 23952U + 01n → 14516Ba + 3962Ks + 10n + พลังงาน ซง่ึ 14516Ba และ 3962Ks เป็นไอโซโทปกัมมนั ตรงั สี ซงึ่ จะสลายตอ่ ไปโดยให้รังสีบีตาออกมา

24 รูป 20.22 การเกิดฟชิ ชนั ของยเู รเนียม จากรูป 20.22 แสดงวา่ เมื่อยิงนวิ ตรอน 1 ตวั เข้าชนยูเรเนยี ม-235 จะมีนวิ ตรอนเกิดข้ึนอีก 3 ตัว ถา้ นวิ ตรอนเหลา่ น้ถี กู ทาใหพ้ ลังงานลดน้อยลงจนอยู่ในระดบั ท่ีเหมาะสม มันจะพงุ่ ชนนิวเคลยี สของยเู รเนยี ม-235 ท่อี ยใู่ กล้เคียง ทาใหเ้ กดิ ฟิชชนั ตอ่ ไปได้ และถ้านิวตรอนจากฟิชชันทห่ี นงึ่ ไปทาใหเ้ กิดฟชิ ชันทส่ี อง และนิวตรอน จากฟิชชนั ทสี่ องไปทาใหเ้ กดิ ฟชิ ชันท่ีสาม เป็นเชน่ น้ีตอ่ ไปเรอ่ื ยๆ เป็นผลใหน้ ิวเคลยี สของยเู รเนียมแตกตัวอย่าง ตอ่ เน่ืองเรยี กวา่ ปฏิกิริยาลกู โซ่ (chain reaction) ดังรูป 20.23 ปฏกิ ิรยิ าดงั กล่าวสามารถให้พลังงานมากใน ชว่ งเวลาสั้นมากๆ พลังงานของนิวตรอทีเ่ หมาะสมสาหรับการเกิดฟิชชันของยเู รเนยี ม-235 มีค่าประมาณ 1 eV หรอื นอ้ ยกวา่ สว่ นฟิชชันของยเู รเนียม-238 นนั้ ต้องใชใ้ นนิวตรอนทีม่ ีพลังงานสูงคือ ต้งั แต่ 1 MeV ขึน้ ไป รูป 20.23 การเกดิ ปฏกิ ิรยิ 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 พลงั งานรวมท่ีไดจ้ ากฟิวชันของดิวเทอรอน 6 ตัว จากปฏิกิรยิ าทัง้ 4 ข้างตน้ เท่ากับ 43.2 MeV สาหรบั ดวิ เทอเรยี ม 1 กิโลกรัม จะให้พลงั งาน 3.45 × 1014 จูล พลงั งานปรมิ าณนนี้ ่าสนใจมาก เพราะในนา้ 1 ลติ ร มีดวิ เทอเรยี มประมาณ 1/32 กรัม ซึ่งให้พลงั งานมากถึง 1.1 × 1014 จลู พลงั งานฟิวชันจากดิวเทอ รอนจงึ เทยี บไดก้ ลบั พลังงานจากน้ามันเชื้อเพลิง 300 ลติ ร เพราะได้มีการประมาณกนั ว่า โลกเรามีดวิ เทอเรียม มากถึง 1017 กิโลกรมั ดังนนั้ พลงั งานจากฟวิ ชนั ของดวิ เทอรอนจะทาให้มนุษยม์ ีพลงั งานใชไปเปน็ เวลานาน มาก ในปจั จุบนั นักวทิ ยาศาสตร์สามารถแยกดิวเทอรอนออกจากนา้ ไดง้ า่ ยและคา่ ใช้จา่ ยไม่สูง แตป่ ัญหาท่ี นกั วทิ ยาศาสตรย์ งั ค้นคว้าวิจัยอยู่คือ หาวธิ ผี ลิตพลงั งานจากฟวิ ชันท่ีสามารถควบคมุ และนาไปใชป้ ระโยชน์ได้ 20.7 ประโยชน์ของกมั มนั ตภาพรังสีและพลังงานนิวเคลียร์ 20.7.1 ประโยชน์ของกัมมันตภาพรงั สี การศึกษาธาตกุ ัมมันตรังสีแต่ละชนิดทาใหร้ สู้ มบัติของแต่ละธาตุ เชน่ ชนิดรังสที ไ่ี ดจ้ ากการสลาย คา่ ครงึ่ ชวี ิต และอัตราการแผ่รงั สีเปน็ ต้น ปัจจบุ นั มกี ารนาสมบัตเิ หล่านไ้ี ปใช้ประโยชน์หลายๆด้าน การเกษตร กรรม การแพทย์ อตุ สาหกรรมสง่ิ แวดลอ้ มรวมถึงการสารวจทางโบราณคดีและธรณีวทิ ยา เชน่ การหาอายวุ ตั ถุ โบราณ ดงั ตอ่ ไปนี้ 1. การใชก้ ัมมนั ตภาพรังสีเกษตรกรรม ธาตกุ ัมมันตรังสีสลายอยู่ตลอดเวลาโดยไมข่ น้ึ กับอทิ ธิพลภายนอกหรือสิง่ แวดล้อม จึงตรวจติดตามธาตุ กัมมันตรังสีมาใชป้ ระโยชนใ์ นการพฒั นาการเกษตรได้เป็นอยา่ งดี ตัวอยา่ งเช่น การวิจยั อัราการดดู ซึมปยุ๋ ของ ตน้ ไม้ ถา้ ใสป่ ยุ๋ ท่ีมธี าตุกัมมันตรงั สี เช่น ฟอสฟอรสั -32 ปะปนอย่ลู งในดินบริเวณใกล้ตน้ ไม้ รากต้นไมจ่ ะดดู ซึม ธาตุกัมมนั ตรงั สเี ขา้ ไปแล้วสง่ ต่อไปยังลาตน้ และไปอยูท่ ่ีใบเพอ่ื นอการปรุงอาหาร การตรวจวัดปริมาณรงั สีที่ใบ ดังรปู ท่ี 20.24 จะทาให้ทราบปริมาณปุ๋ยที่อยทู่ ี่ใบ จึงสามารถหาอัตราการดูดซึมของต้นไม้ได้ รูป 20.24 การตรวจวดั ปริมาณการแผ่รงั สขี องปุย๋ ท่ีใบ การใชป้ ระโยชนข์ องกัมมันตภาพรังสใี นด้านสตั ย์เลยี้ ง ไดแ้ ก่ การศึกษาการผลติ ไขแ่ ละน้านมของสัตว์ เชน่ เป็ด ไก่ และโคนม โดยการใช้ไอโอดีน-131 ธาตกุ ัมมันตรงั ผสมในอาหารสัตว์ และติดตามวัดปริมาณ

27 ไอโอดีน-131 ของร่างกายสตั ว์ ยังพบอีกวา่ รังสีจากธาตกุ มั มันตรงั สสี ามารถทาให้ส่ิงมีชีวิตกลายพันธไุ์ ด้ เช่น รงั สจี ากธาตุกมั มันตรงั จะทาใหโ้ ครโมโซมในเมล็ดพนั ธุ์พชื เปล่ยี นไป เม่อื นาเมล็ดพนั ธุ์พชื ไปเพาะกจ็ ะได้พชื พนั ธ์ุ ใหม่ โอกาสทจี่ ะไดพ้ ืชพันธุ์ดโี ดยวนิ ้มี นี อ้ ยปัจจุบนั มีพชื พันธุ์ดหี ลายชนดิ ท่เี กดิ จากวธิ ีการน้ี ยังพบวา่ รังสีจาก ธาตกุ มั มันตรงั สชี ่วยกาจัดแมลงได้ โดยใชร้ ังสีอาบแมลงหรอื ตัวอ่อนของแมลงซงึ่ อยาในอาหารโดดยตรง เพื่อ ทาใหอ้ ะตอมในของเซลล์แมลงแตกตัวเป็นไอออน ทาใหแ้ มลงตายในทส่ี ดุ และอีกวิธีหนึง่ คอื นาเอาเฉพาะแมลง ตัวผู้มาอาบรงั สเี พ่ือให้เป็นหมันจะได้ไมส่ ามารถแพรพ่ นั ธไุ์ ด้อีก ประโยชนอ์ ีกอยา่ งหนึ่งของการใชร้ งั สีจากธาตุกมั มนั ตรงั สคี ือ การถนอมอาหาร เพราะรังสีสามารถฆา่ เช้อื แบคทเี รีย เชื้อรา และยีสต์ท่มี ีอยู่ในอาหาร และปริมาณรังสีทีใ่ ชใ้ นการถนอมอาหารแตล่ ะชนิดจะแตกต่าง กนั ดงั นนั้ ในการนาอาหารที่อาบรังสีมาบรโิ ภคจะตอ้ งแน่ใจกอ่ นวา่ ไมม่ ีอนั ตรายใดๆตามข้อกาหนดความ ปลอดภยั ของอาหารฉายรงั สี อาหารใดๆท่ีผา่ นการฉายรังสีในปริมาณเฉล่ยี ไม่เกิน 10 กโิ กเกรย์ ไมก่ ่อใหเ้ กิด โทษอันตราย และอาหารที่ผา่ นการฉายรงั สีจะมสี ญั ลกั ษณ์ดังรปู 20.25 ตดิ บนผลติ ภัณฑ์ เพือ่ ให้ผู้บริโภคได้ ทราบ และมีโอกาสเลือกซ้ือ รูป 20.25 อาหารทผี่ า่ นการฉายรังสแี ละสญั ลักษณ์แสดงอาหารทผี่ ่านการฉายรงั สี 2. การใชก้ ัมมนั ตรงั สีในการแพทย์ รังสีจากธาตุกัมมนั ตรงั สสี ามารถตรวจและรกั ษาโรคได้หลายชนดิ เชน่ การใช้รงั สีแกมมาจากโคบอลต์- 60 ในการรักษาโรคมะเรง็ โดยฉายรังสแี กมมาเข้าไปทาลายเซลล์มะเรง็ หรือการใช้รงั สีแกมมาจากโซเดียม-24 อยใู่ นรปู ของเกลือโซเดียมคลอไรดใ์ นการศึกษาลักษณะการหมนุ เวยี นของโลหิต โดยการฉดี สารดงั กลา่ วเขา้ ไป ในเสน้ เลือด เพื่อดูว่ามีการอดุ ตันหรอื การหมนุ เวยี นของเลือดของระบบการไหลเวียนของโลหิต และการใช้รงั สี แกมมาจากไอโอดนี -131 มนการตรวจดกู ารทางานและรักษาโรคจากต่อมไทรอยด์ 3. การใชก้ ัมมนั ตภาพรังสใี นด้านอุตสาหกรรม การใช้รงั สจี ากธาตกุ ัมมันตรงั สีในอตุ สาหกรรมทสี่ าคญั พอสรปุ ไดด้ งั นี้ ในการควบคุมความหนาแน่นของแผน่ โลหะใหส้ มา่ เสมอตลอดแผ่น ทาได้โดยการหยุดเครือ่ งรีดแผ่น เปน็ คราวๆไป แต่การเชน่ นีท้ าใหอ้ ตั ราการผลิตตา่ การใชร้ ังสีจากธาตกุ มั มนั ตรงั สีจะช่วยใหส้ ามารถ ตรวจสอบไดโ้ ดยไม่ต้องหยุดเคร่ืองรีดแผน่ โลหะ ใชธ้ าตุกัมมนั ตรงั สีที่ให้รังสีบีตาเปน็ แหล่งกาเนดิ รังสี โดย ปล่อยให้รงั สตี กตั้งฉากกบั แผ่นโลหะทีก่ าลังเคลื่อนที่ออกมาจากเครื่องวัด ถ้าแผ่นโลหะมีความหนาผดิ ไป

28 จากท่กี าหนดไว้ เครื่องวัดจะส่งสญั ญาณไฟฟ้ากลับไปยังเครื่องรีดเพือ่ ปรบั อตั ราการรีดใหไ้ ดค้ วามหนาตาม มาตรฐานท่ีต้ังไว้ รูป 20.26 การควบคุมความหนาของแผ่นโลหะ โดยอาศัยรังสจี ากธาตกุ ัมมนั ตรงั สี การตรวจสอบความเรียบร้อยของการเชอ่ื มโลหะ การเชือ่ มท่อ การต่อท่อที่ใชส้ าหรบั ความดันสงู การ เชือ่ ตัวเรือดาน้า การตรวจสอบประเภทนสี้ ามารถทาไดโ้ ดยใชร้ งั สีแกมมาซง่ึ สามารถทะลุผา่ นโลหะได้ โดย นากมั มันตรังสีที่ใหร้ งั สีแกมมาวางไว้ดา้ นหนึ่งของส่ิงท่ตี ้องการตรวจสอบ แลว้ ใชจ้ อหรือแผ่นฟิลม์ รบั รังสี ตรงข้าม เมื่อนาฟิลม์ ไปลา้ งสามารถเห็นภาพภายในวตั ถุไดว้ ่ามีร้อยรา้ วหรือโพรงหรือไม่ ช่วยประหยัดเวลา แรงงานกว่าวิธีอืน่ ๆ การเปลย่ี นสขี องพลอยใหม้ ีสีสนั สวยงามเพอ่ื เป็นทตี่ อ้ งการของตลาดและเพ่มิ มูลค่าใหส้ งู ข้ึน สามารถ ทาได้โดยใช้รงั สแี กมมาจากไอโซโทปโคบอล-60 ฉายพลอย ทาใหส้ ีของพลอยเปลย่ี นไป เนื่องจากรงั สีแกมา ทาให้ตาแหน่งอิเลก็ ตรอนของพลอยเปลี่ยนไป สีของควอตซ์กอ่ นฉายรังสีแกมมาและรงั ฉายรงั สีแกมมาจาก รูป 20.27 ก. ควอตซ์ก่อนฉายรังสีแกมมา ข. ควอตซห์ ลงั ฉายรังสีแกมมา รปู 20.27 สีของควอตซก์ ่อนและหลังฉายรงั สีแกมมา 4. การใช้กัมมนั ตรงั สีหาอายวุ ัตถโุ บราณ การหาอายุของวตั ถุโบราณมีความสาคญั มากในการศกึ ษาโบราณคดี และธรณวี ทิ ยา การหาอายุวตั ถุ โบราณมีหลายวธิ ี แต่วิธีทใ่ี ช้กันมากคือ การหาอายดุ ว้ ยคาร์บอน-14 เนื่องจากองค์ประกอบสาคัญของส่งิ มีชวี ิต ทงั้ หลายคือ ธาตุคารบ์ อน โดนส่วนใหญจ่ ะอยู่ในรูปของคารบ์ อน-12 ซง่ึ เปน็ ธาตุเสถียร และมคี ารบ์ อน-14 เป็น ธาตกุ ัมมนั ตรงั สีทมี่ ีปริมาณน้อย คาร์บอน-14 ในส่งิ มีชีวติ จะสลายดว้ ยครง่ึ ชวี ติ 5,730 ± 30 ปี ซ่งึ เป็น เวลานาน ดงั น้ัน ในขณะท่มี ชี ีวิตอยู่ อตั ราสว่ นของคารบ์ อน-14 ตอ่ คารบ์ อน-12 ในร่างกายของสัตว์และในพืช จะมีคา่ คงตัว แต่เม่ือสนิ้ สดุ ชวี ิตลงโอกาสทจี่ ะไดร้ บั คาร์บอนตามปกติก็จะหยุดลงด้วย ดังนัน้ อัตราส่วนคาร์บอน ท้ังสองก็จะลดลงเร่ีอยๆ และสามารถคานวณหาอายุของสัตว์หรอื พืชได้จากอัตราส่วนดังกล่าว เชน่ การตรวจ

29 วเิ คราะห์โครงกระดูกชิน้ หน่งึ พบว่าอตั ราสว่ นคาร์บอน-14 ต่อ คารบ์ อน-12 มีอยูเ่ พยี งรอ้ ยละ 50 ของกระดกู สัตว์ชนิดเดียวกนั ทเี่ พิ่งเสียชีวิตใหม่ๆ แสดงว่าโครงกระดูกไดต้ ายมาแล้วประมาณ 5,700 ปี 20.7.2 การใชพ้ ลังงานนิวเคลยี ร์ แหล่งกาเนดิ ของพลงั งานวิ เคลียรม์ ี 2 ประเภท ประเภทแรกคอื จากระเบิดนิวเคลยี รท์ ่ีอานาจในการ ทาลายอนา่ งมหาศาล ตัวอย่างการนาระเบิดไปใช้ ได้แก่ การขดุ คลองและการทหาร ส่วนอีกประเภทหน่ึงคือ จากปฏกิ ิรยิ าฟชิ ชัน นาไปใชใ้ นการผลติ กระแสไฟฟ้าของโรงพลงั งานนวิ เคลยี ร์ โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียรม์ ีหลกั ในการผลติ กระแสไฟฟา้ คล้ายกับโรงงานไฟฟ้าท่ใี ช้เคร่ืองจักรไอน้าท ทวั่ ๆ ไปแต่แตกตา่ งกนั ตรงที่พลงั งานท่ีใช้ผลิตไอน้าเปน็ พลงั งานนวิ เคลียร์ หลักการย่อยๆ ของโรงไฟฟา้ พลังงานนิวเคลียร์ ดงั รูป 20.28 รปู 20.28 แสดงแผนภมู โิ ดยย่อยของไฟฟา้ พลงั นวิ เคลยี ร์ เครอื่ งปฏกิ รณน์ ิวเคลียร์ ประกอบดว้ ย แท่งเชื้อเพลิง (ยเู รเนียมหรอื พลูโตเนยี ม) จัดเรยี งอยู่กบั ตวั มอเดอร์เรเตอร์ (moderator) และมีแท่งควบคุม (control rods) ทาหนา้ ท่ีควบคุมอตั ราการเกิดฟชิ ชนั ภายในเครื่องปฏิกรณน์ วิ เคลียร์ พลังงานจะถูกปล่อยออกมาในรปู ของความร้อน ซงึ่ จาเป็นตอ้ งถ่ายโอนความ ร้อนออกจากเครื่องปฏิกรณน์ ิวเคลียร์ มกั ใชข้ องเหลวเพ่ือนาความรอ้ นไปถา่ ยโอนให้กับน้า เพ่อื ทาให้นา้ กลายเปน็ ไอ ไอน้าท่ีมีความร้อนและความดนั สูงกจ็ ะไปขับเคล่อื นกงั หันซึ่งมเี พลาต่อกับเคร่อื งกาเนิดไฟฟ้า ทา ให้แกนของเครอื่ งกาเนิดไฟฟ้าหมนุ และผลติ กระแสไฟฟา้ ออกมาส่งจ่ายตามบ้าน การผลิตกระแสไฟฟ้าวธิ นี ี้ เปน็ วธิ กี ารผลติ ที่มตี น้ ทนุ การผลติ ต่าเม่ือคิดในระยะยาว เพราะพลงั งานทไ่ี ดน้ ัน้ สงู เม่ือเทียบกับพลงั งาน เช้ือเพลงิ ท่ีใชไ้ ป มีการผลติ กระแสไฟฟ้าโดนพลงั งานนวิ เคลียรอ์ ยา่ งแพร่หลายในสหรฐั อเมริกาและบางประเทศ ในยุโรปตะวนั ตก เช่น รสั เซีย และมแี นวโนม้ ทีจ่ ะเพ่ิมขึน้ ในอนาคต เพราะเชื้อเพลิงธรรมชาติในรูปของน้ามนั ถา่ นหิน และแกส๊ ธรรมชาติเหลือปริมาณน้อยลงทุกวัน มอเดอรเ์ รเตอร์ เป็นสารที่อยู่โดยรอบยูเรเนียม ทาใหน้ ิวตรอนทเ่ี กิดจากฟิชชนั ของยูเรเนียม เคลอ่ื นนทอ่ีชกา้ จจางึ กทจาะใถหูก้เกนิดาปมฏาใิกชิร้ใิยนากฟาชิรชผนัลิตไดก้ดรีะเแนสือ่ ไงฟจฟาน้าแิวตลร้วอยนงั นพาลไงัปงใาชนใ้ สนูงกจาะรวขิ่งับผเา่คนลน่ือิวนเเครลือียเดสนิขมอหงยาูเสรมเนุทยี รมเพไป่ือ ขนโดสยง่ สไมนิ ่เคกา้ิดรปะฏหิกวริา่ ิยงทาใวดีปๆเในน่อื กงรจณากทกใี่ ชาร้ 2ใช3932้พUลังเงปาน็ นเนชิวือ้ เเคพลลียงิ รม์ไมอ่ตเด้อองกรเ์ารรเเตชอื้อรเท์พ่ใีลชงิ ้คปือริมนา้าณ(มHา2กOด) งัแนลนั้ ะถเนา้ ใ้ือชท้ ท่ี ีต่ ้อง ยเู รเนียมธรรมชาตซิ ง่ึ มคี วามเข้มข้น 23952U ตา่ เปน็ เชอื้ เพลงิ จะใชน้ ้ามวลหนัก (heavy water) (D2O) เปน็ มอเดอร์เรเตอร์

30 ใชเ้ กบ็ เชอ้ื เพลงิ นอ้ ย ทาให้เรอื บรรทกุ สนิ ค้าได้มากและไมจ่ าเป็นต้องแวะเติมเชื้อเพลงิ บ่อย จึงสามารถนาเรือ เดนิ ทางในทะเลได้เปน็ เวลานาน ในอนาคตโลกกาลังจะมีการใชพ้ ลงั งานนวิ เคลียร?ในการขับเคลือ่ นยานอวกาศ เน่ืองจากระยะการ เดนิ ทางในอวกาศนัน้ ไกล ยานอวกาศไม่สามารถบรรทุกเช้อื เพลงิ ธรรมดาไดเ้ พยี งพอ จึงจาเป็นตอ้ งอาศยั พลังงานนิวเคลียรแ์ ทน ใช้เชือ้ เพลงิ ปริมาณน้อยกว่าทาใหย้ านอสกาศไมต่ ้องเติมเช้อื เพลิงบอ่ ย เนอื่ งจากเครอื่ งปฏิกรณน์ ิวเคลียร์สามารถผลิตพลงั งานได้ปรมิ าณมากจงึ นาไปใชป้ ระโยชน์ได้มาก อีก ตัวอยา่ งหนึ่งคือ การกล่นั นา้ ทะเลเปน็ นา้ จืดเพ่ือใชใ้ นสถานทร่ี มิ ทะเลท่ขี าดแคลนน้าจืดก็สามารถทาน้าจืดใชไ้ ด้ โดยอาศยั ความร้อนจากเคร่ืองปฏกิ รณน์ วิ เคลยี ร์มาทาใหน้ ้าเคม็ กลายเป็นไอ แล้วแยกเอาไอน้าซึง่ เป็นน้าจืด ออกจากเกลอื ปัจจุบันมีโรงผลิตน้าจดื โดยใชพ้ ลงั งานนิวเคลยี รอ์ ยูห่ ลายแห่งและใชไ้ ดผ้ ลดี 20.8 รังสใี นชีวติ ประจาวัน อันตรายจากรังสแี ละการปอ้ งกัน จากการศึกษากมั มันตภาพรังสที ่ีกลา่ วมา ทาใหร้ วู้ ่าการนาสารกัมมนั ตรังสีมาใช้ประโยชน์ในหลายๆ ด้าน นอกจากประโยชน์ท่ีมนุษย์ไดร้ ับแล้ว ยังมีอนั ตรายจากรังสที ่มี ตี ่อชีวิตมนุษย์ เช่น มารี คูรี นกั เคมีและ ฟสิ กิ ส์ชาวโปแลนด์ ผู้ค้นพบเรเดยี มและพอโลเนยี ม เปน็ บุคคลหนง่ึ ทไี่ ดร้ บั อันตรายจากรังสีจนเสยี ชวี ิต เนอ่ื งจากโรคลู คเี มีย เปน็ ผลจากการไดร้ ับรงั สรี ะหวา่ งศึกษาคน้ คว้าธาตุดงั กลา่ ว 20.8.1 รงั สีในธรรมชาติ ในธรรมชาติรอบตัวเรามรี งั สีต่างๆ ทม่ี าจากแหล่งกาเนดิ หลายแหลง่ เช่น รังสจี ากนอกโลกเรียกว่า รงั สคี อสมิก (cosmic rays) โดยแหลง่ กาเนิดที่ใหญท่ ่ีสดุ ของรงั สนี ี้ คือ ดวงอาทติ ย์ ส่วนรงั สที ีเ่ กดิ ข้ึนบนโลก เช่น รังสจี ากไอโซโทปกัมมนั ตรังสีของธาตุต่างๆ มาจากแหล่งกาเนดิ ทเ่ี ป็นส่วนประกอบของโลก ไดแ้ ก่ ดนิ หนิ น้า และแก๊ส เช่น โพแทสเซียม-40 แวนาเดยี ม-50 รูบิเดียม-87 อเิ ดียม-115 ทอเรียม-232 ยูเรเนียม-238 และ แก๊สเรดอน-222 ไอโซโทปกมั มันตรงั สเี หลา่ นี้ มีปรมิ าณแตกตา่ งกันไปตามสภาพภูมศิ าสตร์ เชน่ มีปรมิ าณมาก ในบรเิ วณทีเ่ ปน็ แหมืองแร่ เหมืองนา้ มนั และแหล่งแก๊สธรรมชาติ เป็นต้น นอกจากแหล่งกาเนิด ร่างกายของมนุษย์ สัตวแ์ ละพืชก็มีไอโซโทปกมั มนั ตรงั สีอยู่ในร่างกายตาม ธรรมชาตดิ ้วย ได้แก่ ทริเทียม คารบ์ อน-14 โพแทสเซียม-40 ทอเรยี ม-232 ยเู รเนียม-238 ทผ่ี ่านจาก สง่ิ แวดล้อมรอบตวั เขา้ สู่รา่ งกาย ตามปกติรา่ งกายมนุษยจ์ ะรบั รงั สเี ขา้ สรู่ ่างกายจากธรรมชาตโิ ดยเฉลยี่ ประมาณร้อยละ 85 ท่ีเหลือร้อยละ 15 เปน็ รังสีทมี่ นุษย์สร้างขน้ึ มา โดยรังสีจากส่ิงทม่ี นุษยส์ รา้ งข้นึ จะมี ปรมิ าณแตกตา่ งกันไปตามสภาพที่ได้รับ เชน่ จากอาหาร เคร่ืองด่มื และยาชนิดตา่ งๆ รวมทงั้ การรบั รังสเี อ็กซ์ จากการตรวจรา่ งกาย จากจอภาพของโทรทศั น์และคอมพิวเตอร์ การไดร้ บั รงั สจี ากฝ่นุ กัมมันตรังสีท่ฟี ุ้งมาจาก

31 การทดลองระเบิดนิวเคลียร์ การไดร้ บั ปริมาณรังสีคอสมกิ เพ่ิมขนึ้ จากการขึ้นยอดเขาสงู รวมท้ังการเดินทางโดย เคร่ืองบินที่ระดับสูง 20.8.2 อนั ตรายจากรงั สี ในสมยั สงครามโลกครั้งที่2 มีการใชร้ ะเบดิ ปรมาณูทาลายศัตรู พลงั งานอนั มหาศาลของปฏิกิริยา นิวเคลยี ร์ฟิชชันที่ได้ทาลายส่ิงกอ่ สร้างและชวี ิตมนษุ ยเ์ ป็นจานวนมาก เดิมที่คดิ กันมนษุ ย์ตายเพราะแรงเทา่ นนั้ เพราะยังไม่เคยมีการศึกษาผลกระทบของรังสตี อ่ สิง่ มีชีวติ รวมท้งั ไม่มีเครื่องมือตรวจสอบรังสีท่บี รเิ วณถกู ระเบิด และในร่างกายผู้เคราะหร์ ้าย แต่หลงั จากการระเบิดของระเบดิ ปรมาณปู ระมาณ 1 ปี พบว่ามีคนจานวน มากเสยี ชวี ิตดว้ ยโลกมะเร็งเพราะไดร้ บั รังสี ด้วยเหตนุ ้ี โลกจึงต้องเริมต่นื ตวั ศกึ ษาผลกระทนของรังสที ่ีมตี ่อชวี ติ เมอื่ รงั สีจากธาตุกมั มนั ตรังสีผ่านเข้าไปในเนอ้ื เย่ือของสิง่ ชีวิต จะทาให้เน้ือเยื่อเปล่ียนแปลง คือ อาจทา ให้เนอ้ื เย่ือตายทนั ที หรือเปล่ียนแปลงไป ซ่ึงอาจนาปสสู่ าเหตุของการเปน็ โรคมะเร็งได้ รูป 20.29 แสดง โครงสรา้ งดีเอ็นเอก่อนและหลังได้รบั รังสี จะเห็นวา่ โครงสร้างดีเอ็นเอเปล่ยี นไป รูป 20.29 โครงสรา้ งดเี อน็ เอกอ่ นและหลงั ไดร้ ับรังสี ความรุนแรงของอันตรายท่เี กิดตอ่ รา่ งกายซึง่ ได้รบั รับรังสี ข้ึนกับปริมาณของรังสใี นชว่ งเวลาทร่ี า่ งกาย ไดร้ ับ และส่วนของร่างกายที่รับรังสีนัน้ ตามปกติมนษุ ย์ไดร้ ับรังสีจากสภาพแวดล้อมในธรรมชาติอยตู่ ลอดเวลา แต่ในปรมิ าณที่น้อยจึงไมเ่ ปน็ อนั ตรายนัก การบาบดั โรคดว้ ยสารกัมมันตรงั สหี รือการตง้ั ถ่ินฐานอยใู่ กลโ้ รงไฟฟ้านวิ เคลียร์จะทาใหร้ า่ งกาย ไดร้ บั รงั สใี นปรมิ าณสงู แตก่ ย็ ังไมเ่ ปน็ อนั ตรายเฉียบพลันเหมือนกับอยใู่ นเหตุการณ์การระเบดิ ของระเบดิ ปรมาณู หรอื การระเบิดในโรงไฟฟ้านวิ เคลยี ร์ อาการทีป่ รากฏหลงั จากที่ร่างกายได้รับรงั สี จะมีอาการคล่นื ไส้ เบ่ืออาหาร ปวดศรี ษะ ถ้าอาการหนักผมอาจร่วง แต่สว่ นใหญ่แล้วอาการเหล่าน้ีจะไม่ปรากฏในทันที ดังนั้น ประชาชนและผูเ้ ก่ียวข้องกับรงั สีจงึ ควรใสใ่ จตอ่ การปอ้ งอันตรายจากรงั สี

32 หนว่ ยวดั ปรมิ าณรังสีที่ไดร้ บั ซเี วริ ต์ (Sivert) มีสัญลักษณ์ Sv เป็นหน่วยวดั ผลรวมของปรมิ าณรังสีดดู กลืนในเนือ้ เย่ือหรืออวัยวะ ใดๆ ของมนุษย์หลงั จากปรับเทียบการก่อเกิดอนั ตรายของรังสที ุกชนิดท่ีอวยั วะนั้นได้นับ โดยเทียบกบั การก่อ อนั ตรายของรงั สีแกมมา และโดยทวั่ ไปประชาชนได้รบั รังสีจากแหลง่ กาเนิดรังสที กุ แหลง่ รวมกนั ตอ้ งไม่เกนิ 1 มิลลิซเี วิรต์ ต่อปี สาหรับผทู้ ีท่ างานเก่ียวข้องกบั รังสีต้องไดร้ ับรงั สีไมเ่ กิน 20 มลิ ลซิ ีเวริ ต์ ตอ่ ปี เมอ่ื เนื้อเย่ือของร่างกายได้รบั รังสีจะทาให้อิเลก็ ตรอนหลุดจากอะตอม หรอื พนั ธะเคมเี สียหายทาให้มี การเปลีย่ นแปลงทางกายภาพของเซลล์ ความเสียหายมีต้ังแตเ่ ลก็ น้อยทร่ี า่ งกายสามารถรักษาตัวเองได้ จนถึง เสียหายมาก ระดับความเสยี หายข้นึ อยู่กบั ปรมิ าณของรังสี ช่วงเวลาทไ่ี ด้รบั และอวยั วะที่ได้รับรังสี เนอ้ื เย่ือ บริเวณอวยั วะสบื พนั ธุ์เป็นตาแหน่งของรา่ งกายที่ไวต่อการรบั รังสีมากทส่ี ุด สาหรบั เนื้อเยือ่ บริเวณอวยั วะ สบื พันธทุ์ ที่ าหนา้ ท่ีทาหนา้ ท่สี รา้ งอสจุ หิ รอื ไขเ่ มื่อไดร้ บั รงั สี อาจทาให้โครโมโซมของเซลล์มีการเปลย่ี นแปลง ถ้า เป็นการเปล่ียนแปลงชนิดถาวรเมอ่ื มีการผสมพันธ์ุ ผลของการเปล่ยี นแปลงจะถูกถา่ ยทอดสลู่ กู หลาน เป็นผลให้ เกดิ การกลายพนั ธุ์ ดงั รปู 20.30 แสดงการกลายพันธใุ์ นสตั ว์ รูป 20.30 ตัวอยา่ งสัตว์ท่ีกลายพันธ์ุ การกลายพันธ์ุอาจเกิดผลดหี รือผลเสียก็ได้ แต่ส่วนใหญ่ใหผ้ ลเสีย ดังนัน้ การกลายพนั ธ์ุจากการได้รบั รงั สีจงึ เป็นอนั ตรายต่อมนุษย์มาก เม่ือเปน็ เช่นน้ัน หลายประเทศจึงได้มกี ารลงนามในสนธสิ ัญญาเพอ่ื ป้องกนั อันตรายจากรังสี เชน่ ไม่ทดลองระเบิดนวิ เคลยี ร์ การปนเปอื้ นรังสีในสง่ิ แวดล้อมบางคร้งั ก็อาจเกิดจากอุบตั ิเหตุได้ เช่น ในปี พ.ศ.2529 โรงไฟฟ้า นวิ เคลยี ร์แหง่ หนง่ึ ในทวีปยโุ รปเกิดอุบัตเิ หตุ ทาให้มฝี ุ่นกัมมันตรังสีปรมิ าณมากลอยกระจายในอากาศเป็น บรเิ วณกวา้ งเปน็ เหตใุ ห้อาหารประเภทเน้อื สัตว์ นม และพืชผกั ในบรเิ วณนั้นมีการปนเปือ้ นกมั มันตรงั สีสงู กว่า ปกติ จนเกดิ ระดบั ความปลอดภยั ทมี่ นุษยจ์ ะได้รบั หลายประเทศไดง้ ดซือ้ อาหารจากแหล่งท่ีมกี ัมมันตรังสสี งู เพราะถา้ บรโิ ภคเขา้ ไปจะเปน็ อนั ตรายต่อร่างกาย นอกจากทกี่ ลา่ วมา การปนเปื้อนรังสอี าจเกิดจากโรงพยาบาลท่ีมกี ารบาบัดด้วยรังสี จากโรงงานทใี่ ช้ เครื่องปฏิกรณน์ ิวเคลยี ร์ และโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เพราะสถานท่เี หลา่ นมี้ ีสง่ิ ของท่ีปนเป้ือนด้วยสารกมั มันตรังสี รวมอยูด่ ้วย หากไมม่ รี ะบบกาจัดของเสียท่ีถกู ต้องและเหมาะสม กจ็ ะทาให้มีการแพร่กระจายกัมมันตรงั สี ซึ่ง จะทาให้สภาพแวดล้อมเสียหาย และเป็นอนั ตรายตอ่ ชีวติ มนุษย์ โดยปกตสิ ารกัมมนั ตรังสีเม่ือหมดอายุการใช้

33 งานในด้านการแพทยแ์ ละอตุ สาหกรรมแลว้ จะถูกเก็บใส่กล่องดลหะทผี่ นกึ ปิดแน่นหนา แลว้ นาไปฝังกลบ เพอื่ ให้รังสีสลายไปตามธรรมชาติ 20.8.3 การปอ้ งกันอันตรายจากรังสี อันตรายจากรงั สีนัน้ ขนึ้ อยู่กับหลายปจั จัย เช่นปรมิ าณพลังงานจากรังสตี ่อมวลของเนอ้ื เย่ือที่ถูกรังสี และความสาคญั ของอวัยวะสว่ นท่ถี ูกรังสี ดงั น้นั ผทู้ ี่จะนาสารกัมมันตรังสีไปใชป้ ระโยชน์ไม่ว่าในด้านการแพทย์ การเกษตร อตุ สาหกรรม ตลอดจนการคน้ ควา้ ทางดา้ นวทิ ยาศาสตร์ จะต้องมีความรเู้ รอ่ื งรังสเี ป็นอยา่ งดี คอื รูจ้ ักวิธีใช้อย่างปลอดภยั และวธิ ปี อ้ งกนั อนั ตรายจากรังสี หลักการป้องกันอันตรายจากรังสี 1. เนือ่ งจากปริมารรงั สที ี่ร่างกายได้รบั ขึน้ กับเวลา เชน่ ถา้ เดนิ ไปในบริเวณท่มี ีรังสนี าน 20 นาที จะได้รับ รังสปี ระมาณ 2 เทา่ ของผ้ทู เี่ ขา้ ไปในบริเวณนน้ั นานเพียง 10 นาที ดงั น้นั ถา้ จาเป็นตอ้ งเข้าใกล้ บริเวณท่มี ธี าตุกัมมันตรังสีควรใชเ้ วลาส้ันท่สี ดุ เท่าที่จะทาได้ 2. เนอ่ื งจากปริมาณรงั สจี ะลดลงถา้ บรเิ วรน้ันอยู่ไกลจากแหล่งกาเนิดรงั สมี ากขึน้ ดงั น้ัน จึงควรอย่หู ่าง บริเวณที่มธี าตุกัมมันตรังสใี ห้มากท่ีสดุ เทา่ ท่ีจะมากได้ 3. เน่ืองจากรังสตี า่ งชนดิ กนั มีอานาจในการทะลผุ า่ นวสั ดุได้ดีต่างกนั ดงั น้ัน จงึ ควรใช้วัสดุท่ีรงั สีทะลุผา่ น ได้ยากมาเปน้ เครื่องกาบัง เช่น ตะกั่ว หรอื คอนกรีต ซึ่งสามารถเป็นเคร่ืองกาบังรังสีแกมมาและรงั สี บีตาได้ดี และนยิ มใชน้ า้ มันเป็นเครอ่ื งกาบังนวิ รอน ในประเทศไทย เมือ่ วันท่ี 18 กุมภาพันธ์ พ.ศ.2543 คนเก็บของเก่าเพือ่ นาไปขายได้นากล่องโลหะท่ีบรรจุ โคบอลต์-60 ไปแยกชิ้นสว่ นเพอ่ื นาโลหะไปขาย ทาใหร้ ังสีกระจายไปถูกตนเองและผู้อ่นื เปน็ เหตุให้มี ผเู้ สยี ชวี ิตและเจ็บป่วยจานวนหนง่ึ รปู 20.31 ตวั อยา่ งสญั ลักษณ์แสดงว่ามีรงั สี ในการทางานทีเ่ กี่ยวกบั รงั สีนั้น มกั ใช้หุน่ ยนต์ หรือแขนกลสมั ผสั ธาตุกัมมนั ตรังสแี ทนการใช้มนษุ ย์ โดยผู้ควบคุมหหุ่นยนต์จะอยู่ห่างออกไป แลว้ ใชร้ ะบบรโี มตหรอื อเิ ล็กทรอนิกส์ควบคุมการทางานทางาน ของแขนกล

34 โดยปกตแิ ล้วสงิ่ มชี วี ิตในโลกได้รบั รงั สีตามธรรมชาตอิ ย่ตู ลอดเวลาแตใ่ นปริมารน้อยไม่ถึงกบั เปน็ อนั ตราย ปัจจุบนั ได้มกี ารนารังสีจากธาตุกมั มันตรงั สีไปใชอ้ ย่างแพรห่ ลายและมีแนวโนม้ ที่จะใชม้ ากยงิ่ ข้นึ ในอนาคต จงึ จาเปน็ ต้องหาทางป้องกัน และศกึ ษาอันตรายท่จี ะเกิดจากรงั สีเพื่อใหก้ ารใช้รังสจี ากธาตุ กมั มนั ตรงั สเี ป็นประโยชน์และปลอดภัยต่อบุคคลทุกฝา่ ยที่เกยี่ วขอ้ ง