ฟิสิกส์นิวเคลียร์ PYE481_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 จึงเหลอื 2.5 กรัม ข. การหาธาตุกมั มนั ตรังรังสีที่เหลอื อยู่ขณะเวลา ������ ใดๆ หาไดจ้ ากสมการ (20.8) คือ ������ = ������0������−������������ โดยท่ี ������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 จะมีปรมิ าณไอโอดีน-126เหลอื อยู่จากการสลายเท่ากบั 3.53 กรัม 20.4 ไอโซโทป เมื่อพจิ ารณาอนกุ รมการสลายของธาตุกมั มนั ตรังสี พบว่า isotopes มาจากภาษากรกี นวิ เคลียสบางกลมุ่ มีเลขอะตอมเท่ากนั แต่มเี ลขมวลตา่ งกนั เช่น iso แปลว่า เหมือนกัน อยา่ งเดียวกัน กลุ่มของยูเรเนียม มยี เู รเนียม-234 ยูเรเนยี ม-235 และยูเรเนยี ม-238 tope แปลว่า สถานที่ นิวเคลียสมีเลขอะตอมหรือจานวนโปรตอนเท่ากนั คือ 92แต่มจี านวน isotopes หมายถึง อยใู่ นตาแหน่งเดยี วกัน นิวตรอนในนวิ เคลยี วต่างกัน เราเรียกนิวเคลียสที่มจี านวนโปรตอน ในตารางธาตุ กล่าวคือ เป็นธาตเุ ดยี วกัน เท่ากัน แต่จานวนนวิ ตรอนต่างกนั วา่ ไอโซโทป (isotopes) ของธาตุเดยี วกนั ไอโซโทปของธาตุมชี นิดท่ไี ม่เสถียรเรียกวา่ ไอโซโทปกัมมันตรงั สี (radioisotopes) และชนิดท่ีไมม่ ี การสลายตอ่ ไปเรียกว่า ไอโซโทปเสถยี ร (stable isotopes) เช่น ไอโซโทปของตะกั่วมหี ลายชนิด เปน็ ไอโซโทปเสถียร 4 ชนดิ คือ ตะก่วั -204 ตะก่วั -206 ตะกั่ว-207 และตะกว่ั -208 ไอโซโทปกมั มันตรงั สี เชน่ ตะกวั่ -210 และตะก่ัว-214 สาหรับธาตุบางธาตมุ แี ต่ไอโซโทปกมั มันตรังสีเทา่ นน้ั เน่ืองจากไอโซโทปของธาตเุ ดียวกันมเี ลขอะตอมเท่ากัน แต่เลขมวลต่างกนั จึงมีคุณสมบัติทางเคมี เหมอื นกนั แตส่ มบัติทางกายภาพตา่ งกัน ดงั น้นั การวิเคราะหไ์ อโซโทปของธาตุชนดิ จงึ ไม่สามารถกระทาได้โดย อาศยั ปฏิกริ ิยาเคมี เน่ืองจากไอโซโทปมีคุณสมบัตติ า่ งกนั เชน่ มมี วลต่างกนั การวิเคราะห์ไอโซโทปจึงสามารถ กระทาได้โดยจาแนกมวล มวลของไอโซโทปของธาตชุ นดิ เดียวกันมคี วามแตกตา่ งกนั น้อยมาก การวิเคราะห์ ไอโซโทปจึงต้องใช้เคร่ืองมือท่ีสามารถวดั มวลได้ละเอียดมาก โดยใช้เครอื่ งมือ แมสสเปกโทรมเิ ตอร์ (mass spectrometer) ในการหามวล

8 รูป 20.14 ส่วนประกอบท่สี าคญั ของแมสสเปกโทรมิเตอร์ แมสสเปกโทรมิเตอรเ์ ปน็ เครื่องมอื ที่ใช้วเิ คราะห์มวลอะตอมของธาตตุ ่างๆ โดยอาศัยหลักการเคล่อื นที่ ของอนุภาคท่ีมีประจุไฟฟา้ ในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า สว่ นประกอบทสี่ าคญั ของแมสสเปกโทรมเิ ตอร์ คือ สว่ นเรง่ อนภุ าค สว่ นคดั เลือกความเร็ว และสว่ นวิเคราะห์ ส่วนเรง่ อนภุ าคมีหน้าท่ีให้ไอโซโทปทีเ่ ปน็ แกส๊ กลาย สภาพเปน็ อนุภาคท่มี ปี ระจุไฟฟ้า จากนน้ั อนุภาคจะถูกเร่งโดยใชส้ นามไฟฟ้าให้พงุ่ ผ่านเข้าไปยงั ส่วนคัดเลือก ความเรว็ ประกอบดว้ ยบริเวณท่มี ีสนามไฟฟ้า ������ และสนามแมเ่ หลก็ ������ ซ่งึ มที ิศทางต้ังฉากกันและตัง้ ฉากกับ ทิศทางการเคลื่อนท่ีของอนุภาคที่ผ่านเข้ามา ดงั รูป 20.15 ดังนั้นแรงที่กระทากับอนภุ าคเนื่องจากสนามทง้ั สอง จึงมีทศิ ทางตรงขา้ ม รปู 20.15 หลักการทางานของสว่ นคดั เลือกความเร็ว ถ้าอนุภาคมคี วามเรว็ พอเหมาะ ขนาดของแรงเนื่องจากสนามทง้ั สองจะมีค่าเท่ากนั และมีทิศทางตรง ขา้ ม จึงทาให้เกิดสมดลุ ของแรง มผี ลให้อนุภาคเคล่ือนที่ต่อไปโดยไม่เปลี่ยนแนวการเคลื่อนที่ และพุ่งตรงไป ผ่านชอ่ งเปิดอีกช่องหนึ่งได้ ส่วนอนุภาคที่มีความเรว็ ตา่ งไปจากค่าที่พอเหมาะ มีแนวทางการเคลือ่ นท่ีเบย่ี งเบน ไปทาให้ไมส่ ามารถผ่านชอ่ งน้ีไปได้

9 ถา้ ใหอ้ นภุ าคซึ่งมปี ระจุ +������ เคล่อื นท่ผี า่ นชอ่ งเปดิ ทห่ี น่ึงเข้ามาในบรเิ วณท่ีมีสนามไฟฟ้า ������ และ สนามแมเ่ หล็ก ������ มีอัตราเร็วเท่ากบั ������ เมื่อเกดิ สมดลุ จะไดว้ า่ ������������������ = ������������ ������ หรือ ������ = ������ สามารถหาอัตราเร็ว ������ ไดจ้ ากอัตราสว่ นของขนาดสนามไฟฟ้าและขนาดสนามแม่เหล็กในบรเิ วณสว่ น คัดเลอื กความเรว็ ดงั นั้นกลมุ่ อนุภาคทีม่ ีอัตราเร็วนจ้ี ะเคลื่อนท่เี ข้าส่สู ว่ นวิเคราะห์ ซ่งึ มีสนามแม่เหลก็ ������′ ที่มี ทศิ ทางต้งั ฉากกบั แนวการเคลื่อนท่ขี องอนภุ าค ทาใหเ้ กิดแรงเนื่องจากสนามแมเ่ หลก็ บังคับใหอ้ นุภาคท่ีมมี วล ต่างกนั เคล่ือนทีเ่ ป็นแนวโค้งรูปวงกลมทีม่ รี ัศมีตา่ งกัน ดังรูป 20.16 รปู 20.16 สว่ นวเิ คราะห์ซึ่งไอโซโทปมวลต่างกนั จะเคล่ือนทีด่ ้วยรศั มีต่างกัน จากการเคลื่อนท่ีของอนุภาคทีม่ มี วลต่างกนั จะเคล่ือนทเ่ี ป็นแนวโค้งรปู วงกลมท่ีมรี ัศมีต่างกนั เม่ือ อนุภาคกระทบแผ่นฟลิ ม์ บันทึกภาพจะทาใหเ้ กิดรอยดา ถา้ ������ เป็นรัศมีความโค้งชองวงกลม ������ เป็นมวลของ อนภุ าค และ ���́��� เป็นสนามแมเ่ หลก็ ในบรเิ วณน้ี จะได้ ������������������′ = ������������2 ������ ������������′������ ������ = ������ เนื่องจาก ������ = ������ ������ จะได้ ������ = ������������������′ ������ (20.9) ������ สมการ (20.9) แสดง มวลของอนุภาคแปรผนั ตรงกบั งของแต่ละรศั มีความโค้ง และเนอื่ งจากมวลของ แต่ละไอโซโทปแตกตา่ งกนั ดังนัน้ รศั มคี วามโค้งของแตล่ ะไอโซโทปจะแตกตา่ งกนั การวัดรัศมจี ึงเปน็ หลักการที่ เคร่ืองมือวเิ คราะหไ์ อโซโทปได้ การวเิ คราะหผ์ ล ������, ������, ������′, ������ เป็นคา่ ที่ได้จากการทดลอง และ ������ คอื ประจุไฟฟา้ ของอนุภาค ดังนน้ั สามารถหามวล ������ ได้ วิธนี ้สี ามารถหามวลอะตอมของธาตตุ ่างๆ ได้ มวลอะตอมของไอโซโทปบางชนดิ แสดง ในตาราง 20.4

10 ตาราง 20.4 มวลอะตอมของธาตบุ างธาตุ

11 ตาราง 20.4 มวลอะตอมของธาตุบางธาตุ หมายเหตุ ธาตทุ ่ีไม่ไดร้ ะบุปรมิ าณในธรรมชาตเิ ป็นธาตุกรรมมนั ตรังสี มวลของโปรตอน(������������) นวิ ตรอน (������������) และอิเลก็ ตรอน (������������−) 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 เมื่อโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันเปน็ ดิวเทอรอนน้นั จะมีมวลหายไปเทา่ กับ 2.015941u-2.013553u=0.002388u มวลท่หี ายไปเรียกว่า สว่ นพร่องมวล (mass defect, ∆������) ถ้าใชค้ วามสมั พันธ์ระหว่างมวล ������ และพลงั งาน ������ ของไอนส์ ไตน์ทว่ี า่ ������ = ������������2 เม่ือ ������ เป็นอตั ราเร็วของ แสงในสุญญากาศ เราสามารถหามวลที่หายไป ∆������ เทียบได้กับพลงั งาน ∆������ ไดด้ ังนี้ ������ = (∆m)������2 = (0.002388������)(931.5Me ������⁄������) = 2.2MeV น่ันคือพลงั งานที่เทยี บกับมวลท่หี ายไป 0.002388u มีค่าเท่ากับ 2.2 MeV กค็ ือ พลงั งานของรังสี แกมมาทใ่ี ชใ้ นการทาใหด้ ิวเทอรอนแตกตวั เปน็ โปรตอนและนวิ ตรอน แสดงใหเ้ ห็นวา่ เราสามารถคานวณหา พลังงานยึดเหนยี่ วได้จากสว่ นพรอ่ งมวล ในทางกลับกนั นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่า ถ้ายิงนิวตรอนไปชนนิวเคลยี สของไฮโดรเจน จะได้ดิวเทอรอน และรงั สแี กมมาทมี่ ีพลงั งาน 2.2 MeV ผลการทดลองแสดงใหเ้ หน็ วา่ พลงั งานทีใ่ หใ้ หด้ วิ เทอรอนแตกตัวเป็น ดวิ เทอรอน มีค่าเท่ากบั พลังงานที่ปลอ่ ยออกมา เมื่อโปรตอนกับนวิ ตรอนรวมตวั กันเปน็ ดิวเทอรอน ผลการ ทดลองท้ังสองนสี้ นบั สนนุ ความสมั พันธ์ระหวา่ งมวลกบั พลงั งานของไอนส์ ไตน์ ในการคานวณหาสว่ นพร่องมวลหรอื พลังงานยึดเหนย่ี วของธาตตุ ่างๆ คานวณโดยใชม้ วลอะตอมของ ของธาตุแทนมวลของนวิ เคลยี ส และใชม้ วลอะตอมของไฮโดรเจนแทนมวลของโปรตอนเป็นผลให้มวล อิเล็กตรอนถกู หักล้างไป เชน่ ในกรณีคารบ์ อน-12 ซงึ่ อะตอมของธาตปุ ระกอบด้วยโปรตอน 6 ตวั อเิ ล็กตรอน 6 ตัว และนิวตรอน 6 ตวั ผลรวมของมวลองคป์ ระกอบของคารบ์ อน-12 หาได้จากผลรวมของมวลอะตอมของ ไฮโดรเจน 6 ตัว กบั มวลของนวิ ตรอน 6 ตวั ดงั นี้ มวลอะตอมของไฮโดรเจน มีค่า 1.007825u มวลนิวตรอน มคี ่า 1.008665u มวลองคป์ ระกอบของคาร์บอน-12 = มวลนวิ คลีออน + มวลอเิ ล็กตรอน = (มวลโปรตอน 6 ตัว + มวลนวิ ตรอน 6 ตวั ) + มวลอิเล็กตรอน 6 ตวั = (มวลโปรตอน 6 ตัว + มวลอิเล็กตรอน 6 ตัว) + มวลนิวตรอน 6 ตวั = มวลอะตอมไฮโดรเจน 6 ตัว + มวลนิวตรอน 6 ตวั = (6)(1.007825u) + (6)(1.008665u) = 12.098940u มวลอะตอมของคารบ์ อน-12 มคี า่ 12.000000u ดังน้ัน ส่วนพรอ่ งมวลของคาร์บอน-12 ∆������ = (มวลองค์ประกอบของคาร์บอน-12) - (มวลอะตอมของคารบ์ อน-12) = 12.098949u + 12.000000u = 0.098940 u พลงั งานท่ีเทยี บกับมวลทห่ี ายไป คอื พลงั งานยดึ เหน่ยี 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 งานยึดเหน่ยี วของธาตตุ า่ งๆ พบวา่ พลังงานยึดเหนี่ยวมีคา่ มากขน้ึ เมื่อจานวนนวิ คลอี อนใน นวิ เคลียสมากขนึ้ ดงั กลา่ วกราฟในรปู 20.17 รูป 20.17 กราฟแสดงความสัมพันธร์ ะหวา่ งพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลยี สกบั เลขมวล กลา่ วได้วา่ พลังงานยดึ เหน่ยี วข้ึนกบั จานวนคลีนิวออน ในการคานวณพลงั งานยดึ เหนี่ยว ถา้ ต้ังสมมติฐานว่า นวิ คลีออนแตล่ ะตวั ส่งแรงนวิ เคลยี ร์กระทาต่อนิวคลีออนอ่นื ๆ ทเี่ หลือทงั้ หมดผลที่จะ แตกตา่ งไปจากราฟในรปู 20.17 มาก แต่ถา้ คิดวา่ มแี รงนิวเคลียรก์ ระทาระหวา่ งนวิ คลีออนท่ีอย่ตู ดิ กนั แลว้ ผล การคานวณจะตรงกับกราฟในรปู 20.17 จึงสรปุ ได้ว่า แรงนวิ เคลยี รเ์ ป็นแรงที่กระทาในชว่ งระยะทางส้นั ๆ กระทาระหวา่ งนวิ คลีออนที่อยู่ตดิ กนั เทา่ นน้ั ดังรปู 20.18 รูป 20.18 แรงนวิ คลเี คลยี รเ์ ป็นแรงทก่ี ระทาในระยะส้นั ๆ และกระทาระหวา่ งนิวคลีออนทต่ี ดิ กนั เท่าน้นั เน่ืองจากนวิ เคลยี สของแต่ละธาตมุ ีจานวนนวิ คลีออนตา่ ง ดังนนั้ ในการเปรยี บเทยี บว่านวิ เคลียสใดมี เสถียรภาพอยา่ งไร มีโอกาสแตกตัวหรือเปลี่ยนไปเปน็ นิวเคลยี สอ่นื ไดม้ ากน้อยเพยี งใด จงึ ต้องพิจารณาจาก พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน เพราะพลังงานคานวณหาไดจ้ ากการหารพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสด้วย จานวนนิวคลีออนของนวิ เคลียสนั้น เช่น คาร์บอน-12 จะมีพลงั งานยึดเหน่ยี วต่อนวิ คลีออนเท่ากับ 92.16MeV 12 หรือ 7.68MeV เปน็ ตน้ โดยธาตุท่ีมีพลังงานยดึ เหนี่ยวตอ่ นวิ คลีออนสงู กว่าจะเสถยี รภาพมากกวา่ พลงั งาน ยึดเหนย่ี วต่อนิวคลีออนจะเปล่ยี นไปตามเลขมวลดังกราฟในรปู 20.19 จะเห็นว่าธาตทุ ีม่ ีเลขมวลน้อย เชน่ ดิวเทอเรียม พลงั งานยึดเหนี่ยวต่อนวิ คลีออนมคี า่ น้อย และธาตุท่ีมีเลขมวลมาก เชน่ ฮีเลยี ม

18 พลงั งานยดึ เหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะเพ่มิ ขนึ้ อยา่ งรวดเรว็ และธาตใุ นช่วงทมี่ เี ลขมวลระหวา่ ง 50-90 พลงั งานยดึ เหนยี่ วต่อ นิวคลอี อนจะมีคา่ ค่อนข้างคงตัว และเมื่อเลขมวลมคี ่าเกนิ ชว่ งน้ี พลงั งานยดึ เหนยี่ วต่อนิวคลอี อนก็ จะค่อยๆ ลดลง สรุปไดว้ า่ ในช่วงที่เลขมวลมีคา่ ระหวา่ ง 50-90 พลงั งานยดึ เหนย่ี วต่อนวิ คลีออนมีคา่ สูงสุด รปู 20.19 กราฟแสดงความสมั พันธร์ ะหว่างพลงั งานยึดเหน่ียวตอ่ นวิ คลีออนกับเลขมวล จากกราฟจะเห็นได้วา่ เหล็ก Fe56 มีพลงั งานยึดเหนย่ี วต่อนวิ คลีออนเท่ากับ 8.8 MeV ในขณะที่ ยเู รเนียม U235 มคี า่ พลังงานเทา่ กับ 7.6 MeV แสดงวา่ การทาให้นวิ เคลียสเหล็กแตกตวั เป็นนิวคลอี อนทาได้ ยากกวา่ ยเู รเนยี ม นัน่ คือเหลก็ มเี สถียรภาพสูงกว่ายเู รเนียม ตัวอยา่ ง 4 จงหาพลงั งานยึดเหน่ียวตอ่ นิวคลีออนของธาตุ 22868Ra กาหนดให้ มวลอะตอมของเรเดยี ม (22865Ra) เทา่ กบั 226.025402u มวลอะตอมของไฮโดรเจน (11H) มคี ่า 1.00782u มวลนิวตรอน มีค่า 1.858968 u วธิ ีทา อะตอมของ 22868Ra มีเลขมวล Z= 88 และ A-Z = 226-88 = 138 ส่วนพรอ่ งมวล = มวลอะตอมของไฮโดรเจน Z ตัว + มวลนวิ ตรอน (A-Z) ตัว - มวลอะตอมของเรเดยี น หรอื ∆������ = (88������������ + 138������������) − ������������������ = (88)(1.007825u) + (138)(1.008665u) − 226.025402u = 1.858968 ������ ∆������ เมือ่ คิดเป็นพลังงานมีคา่ = (1.858968u)(931.5 MeV⁄u) = 1731.63MeV แต่ 22868������������ มจี านวน 226 นวิ คลีออน ดงั น้ัน พลงั งานยดึ เหนีย่ วต่อนิวคลีออนมีค่า = 1731.63 MeV 226 = 7.66 MeV ตอบ พลงั งานยึดเหนี่ยวต่อนวิ คลอี อนของ 22868������������ มคี ่า 7.66 เมกะอเิ ลก็ ตรอนโวลน์

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 + 10n → 19779Au + 12H 18908Hg + γ → 19779Au + 11H ปฏกิ ริ ิยาเหล่านี้จะเกดิ ข้ึนได้ต้องยงิ อนภุ าคท่มี ีพลังงานสงู มากพุ่งชนนิวเคลยี สทีเ่ ปน็ เป้า และในการเรง่ อนภุ าคใหม้ ีพลงั งานสงู พอท่จี ะเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าดังกล่าวต้องเสียค่าใช้จ่ายสงู เมอื่ เปรียบเทยี บค่าใชจ้ า่ ยในการผลติ กับมูลค่าของทองคาท่ผี ลิตได้แลว้ พบวา่ ไมค่ ุ้มกับการลงทนุ ผลิตอย่างไรก็ตามปฏิกิรยิ านวิ เคลยี ร์ท้งั 4 ช้ใี หเ้ หน็ วา่ ความฝันของนักเลน่ แรแ่ ปรธาตุในยุคโบราณเปน็ จรงิ แลว้ นวิ เคลียสท่ีผลิตไดจ้ ากปฏิกริ ิยานวิ เคลยี ร์นั้น นอกจากจะเป็นนวิ เคลียสทองคาแลว้ ยงั มีนวิ เคลียสอืน่ ๆ ท่ีนา่ สนใจอีกคือนวิ เคลียสของธาตุทม่ี ีเลขอะตอมมากกวา่ 92 ซงึ่ นิวเคลียสประเภทนี้ไม่มีในธรรมชาติ เช่น การ ผลติ นวิ เคลยี สของธาตุทีม่ เี ลขอะตอม 93 สามารถทาได้โดยการยงิ อนภุ าคนิวตรอนไปชนนวิ เคลียสของ ยูเรเนียม ดังปฏิกริ ิยาต่อไปนี้ 23982U + 01n → 23929U + γ 23929U → 23939Np + −10e ในปัจจบุ ัน นิวเคลยี สท่ีมีเลขอะตอมตง้ั แต่ 93 ขึ้นไปจะถกู ผลติ ดว้ ยวธิ ี้ และนกั วทิ ยาศาสตรย์ ังคง พยายามผลติ ธาตทุ ่ีมเี ลขอะตอมสูงขึน้ ไปอีก ในการวเิ คราะหพ์ ลังงานในรูปปฏิกริ ยิ านวิ เคลียรน์ นั้ พบวา่ ในบางปฏิกิริยาจะต้องใช้พลังงานเพ่อื ให้ เกดิ ปฏกิ ิรยิ า เช่น การแตกตวั ของดิวเทอรอนออกเปน็ โปรตอนและนิวตรอน ปฏกิ ริ ิยาน้จี ะเกดิ ขึ้นได้กต็ ่อเมื่อ ดวิ เทอรอนไดร้ บั พลงั งาน 2.22 MeV สามารภคานวณหาพลงั งานทท่ี าใหเ้ กิดปฏกิ ิริยานวิ เคลยี ร์ได้ เชน่ พิจารณาปฏิกริ ิยา 147N(α, p)178O ก่อนเกิดปฏิกริ ยิ า 147N + 42He → 178O + 11H 147N มีมวล 14.003074u 42He มีมวล 4.002604u หลงั เกิดปฏิกิริยา มวลรวม 18.005678u 178O มมี วล 16.999134u 11H มมี วล 1.007825u มวลรวม 18.006959u มวลรวมหลงั เกิดปฏกิ ริ ิยามคี ่ามากว่ามวลก่อนเกดิ ปฏิกริ ิยาเท่ากับ 0.001281u ซึ่งพลังงานทเี่ ทยี บเทา่ กบั มวลทีแ่ ตกตา่ งนีจ้ ะมคี ่าเท่ากับ (0.001281u)(931.5MeV/u) หรอื เท่ากบั 1.19 MeV แสดงว่าในปฏิกริ ยิ าน้ตี ้องให้พลงั งาน ทาได้โดยการยิงอนุภาคแอลฟาพลังงานอย่างน้อย 1.19 MeV เช้าชนไนโตรเจน-14 สมการของปฏิกริ ิยาเขยี นไดเ้ ปน็ 147N + 42He + 1.19MeV → 178O + 11H

21 ในปฏกิ ิริยาขา้ งต้น พบวา่ พลังงานยดึ เหน่ียวของ 147N 24He และ 178O เทา่ กบั 104,66,28.29 และ 131.76 MeV ตามลาดับ ดังนน้ั ผลรวมของพลังงานยดึ เหนยี่ วก่อนเกิดปฏิกิริยาจงึ มีค่ามากกว่าผลรวมของ พลังงานยดึ เหนีย่ วหลงั เกดิ ปฏิกิรยิ าเท่ากับ 1.19 MeV เทา่ กบั พลงั งานที่ใช้ในการทาปฏิกิริยานน่ั เอง ในปฏกิ ิรยิ านิวเคลยี รบ์ างปฏิกิริยามีการปล่อยพลงั งานออกมา ในกรณผี ลรวมของมวลหลัง เกดิ ปฏกิ ิริยามีค่านอ้ ยกว่าผลรวมของมวลก่อนเกิดปฏิกริ ิยา เชน่ การรวมตัวของโปรตอนกับนิวตรอนเปน็ ดวิ เทอรอนทม่ี กี ารปลอ่ ยรังสแี กมมาที่มีพลงั งาน 2.22 MeV ยงั มีกรณีอ่ืนๆ อีก เช่น การยิงอนุภาคโปรตอนให้ พุ่งชนนิวเคลยี สของลิเทยี ม คานวณหาพลังงานได้ดงั น้ี 37Li + 11H → 24He + 42He ก่อนเกิดปฏิกริ ิยา หลงั เกดิ ปฏกิ ริ ยิ า 37Li มีมวล 7.016005u 24He มีมวล 4.002604u 11H มีมวล 1.007825u 42He มมี วล 4.002604u มวลรวม 8.023830u มวลรวม 8.005208u เพราะมวลรวมกอ่ นเกิดปฏกิ ิริยามีคา่ มากกว่ามวลรวมหลงั เกิดปฏกิ ริ ยิ าเทา่ กบั 0.018622u ดงั นนั้ พลังงานที่เทียบเท่ากบั มวลค่านี้เท่ากับ (0.018622u)(931.5MeV/u) หรือเทา่ กับ 17.34 MeV ในปฏิกิริยาดังกล่าว โปรตอนและอนภุ าคแอลฟาต่างก็มีพลังงาจลน์ พลังงาน 17.34 MeV คอื ผลต่าง ระหวา่ งพลงั งานจลน์ของอนุภาคแอลฟาทั้งสองกบั โปรตอน สมการของปฏิกริ ยิ าเขียนไดเ้ ป็น 73Li + 11H → 24He + 24He + 17.34MeV พลงั งานทีเ่ กดิ จากปฏิกริ ยิ านิวเคลยี รเ์ รียกวา่ พลงั งานนิวเคลียร์ (nuclear energy) พลงั งานนี้อยู่รปู พลังงานจลน์ของอนภุ าคหรือในรปู คล่ืนแม่เหล็กไฟฟา้ กไ็ ด้ ในทานองเดียวกันปฏกิ ริ ิยานวิ เคลยี รอ์ นื่ ๆ สามารถพิจารณาในแงข่ องพลังงานยึดเหนี่ยวได้ โดย พลังงานยึดเหน่ียวของ 37Li และ 24He มคี า่ 39.24 และ 28.29 MeV ซงึ่ มากกว่าผลรวมของพลงั งานยดึ เหนี่ยว หลงั เกิดปฏกิ ริ ยิ าเท่ากบั 56.58 MeV มากกว่าผลรวมของพลังงานยดึ เหนีย่ วกอ่ นเกดิ ปฏิกิริยาเท่ากบั 17.43 MeV สอดคลอ้ งกบั คา่ พลังงานนิวเคลยี รท์ ีห่ าได้ การวิเคราะห์พลงั งานจากปฏิกิรยิ านวิ เคลียร์ สรุปได้วา่ “ในปฏกิ ริ ยิ านิวเคลยี ร์ท่มี ีการปล่อยพลงั งาน ผลรวมของพลังงานยดึ เหนยี่ วหลังเกดิ ปฏกิ ริ ิยามีคา่ มากกว่าผลรวมของพลังงานยึดเหน่ียวกอ่ น เกดิ ปฏกิ ริ ยิ า”

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 ังกลา่ วทาให้เกดิ แนวความคิดว่าในปฏิกิริยานวิ เคลยี ร์น้ี นิวเคลยี สของยเู รเนียมอาจ แตกตวั เป็นสองนวิ เคลียสทม่ี เี ลขมวลใกล้เคียงกนั และถ้าเป็นเช่นน้นั จริงจะพบนิวเคลียสทีม่ ีเลขอะตอมอยู่ ระหว่าง 90-100 และเลขอะตอมประมาณ 35 เกิดขน้ึ ด้วย ในเวลาตอ่ มาฮาหน์ และสตราสมันน์ไดพ้ บว่า มีธาตุ ทม่ี ีเลขมวลและอะตอมเกิดขึ้นในปฏิกิริยาน้ี ฮาหน์ และสตราสมันนช์ ใี้ หเ้ หน็ นวิ เคลยี สของธาตหุ นักเม่อื ถูกยงิ ด้วยนิวตรอนจะแตกตัวออกเป็น นิวเคลียสของธาตขุ นาดกลาง ตอ่ มาในปี พ .ศ. 2482 ไมทเ์ นอร์และออตโต ฟรชิ ได้อธบิ ายปฏิกิริยาท่ีนวิ ตรอน พ่งุ เข้าชนนวิ เคลียสของยูเรเนียมทาใหเ้ กิดนิวเคลยี สขนาดกลางสองนิวเคลยี สนัน้ วา่ เป็นปฏกิ ิรยิ านวิ เคลียรแ์ บบ ฟิชชนั ว่า ธาตุทห่ี นักกว่ายูเรเนียม เช่น พลูโทเนียมและเนปทเู นยี มกส็ ามารถเกิดฟิชชันได้เชน่ กัน การยงิ นิวตรอนไปชนนวิ เครูปลีย2ส0ข.2อ1งยสูเตรรเนายีสมนั อนก์ ไจมาทกเ์ จนะอทรา์แใลหะเ้ ฮกาดิ หฟน์ ิชชนั แลว้ ในเวลาต่อมายังพบด้วย Fritz Strassmann (พ.ศ. 2445-2523) Lise Meitner (พ.ศ.2445-2423) และ Otto Hahn (พ.ศ.2421-2511) ไมทเ์ นอร์เป็นนักฟสิ ิกสช์ าวออสเตรยี แตไ่ ปทางานวจิ ยั เกย่ี วกบั ธาตุกัมมันตรงั สีท่ี ประเทศเยอรมนั กบั ฮาหน์ ซ่งึ เปน็ นกั เคมชี าวเยอรมันต้งั แต่ พ.ศ.2451 ถึง พ.ศ. 2481ทั้งคู่ได้รับรางวลั เฟรม์ ีพรอ้ มกบั สตราสมนั นน์ ักฟิสิกสช์ าวเยอรมัน ในปี พ.ศ. 2509 นอกจากน้ี ฮาหน์ ยงั ได้ทาการทดลอง ด้านฟสิ กิ ส์นิวเคลยี ร์รว่ มกับสตราสมันต์ โดยพบวา่ เมื่อยิงนิวตรอนเข้าชนยเู รเนียมจะสามารถผลติ แบเรยี มได้ ซึ่งเป็นปฏิกริ ิยาแบบฟิชชัน การค้นพบนีท้ าให้ฮาหน์ ไดร้ ับรางโนเบลสาขาเคมี ในปี พ.ศ. 2487 การศึกษาฟิชชันของยูเรเนียมในเวลาต่อมาพบว่า นวิ เคลียสทไ่ี ด้จากการแตกตัวนนั้ มีมากกว่า 40 คู่ ซึ่งนิวเคลียสเหล่านีต้ า่ งมเี ลขอะตอมอยู่ระหว่าง 30 ถึง 63 และเลขมวลอยรู่ ะหวา่ ง 72 ถึง 158 และท่สี าคัญ คือนิวตรอนมพี ลงั งานสงู เกดิ ข้ึนทกุ คร้ังทีน่ ิวเคลียสแตกตัว โดยเฉลีย่ ประมาณครง้ั ละ 2 ถึง 3 ตวั เช่น ฟิชชัน ของยเู รเนยี ม-235 แสดงได้ดงั รูป 20.22 และสมการ 23952U + 10n → 14516Ba + 3962Ks + 10n + พลังงาน ซง่ึ 14516Ba และ 3962Ks เป็นไอโซโทปกมั มนั ตรงั สี ซงึ่ จะสลายตอ่ ไปโดยให้รังสบี ตี าออกมา

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 ป็นนักฟสิ กิ สค์ นแรกท่สี ามารถควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาลกู โซ่ได้ โดย ควบคมุ จานวนและพลังานของนิวตรอนทีท่ าใหเ้ กดิ ฟชิ ชัน เรยี กอุปกรณ์ทผ่ี ลติ พลังงานนิวเคลยี ร์ที่ควบคมุ อัตรา การเกดิ ฟิชชันและปฏกิ ิรยิ าลูกโซ่ไดว้ า่ เคร่ืองปฏกิ รณน์ ิวเคลียร์ (nuclear reactor) สาหรบั ปฏิกริ ยิ าฟิชชนั ของยูเรเนยี ม พบวา่ การแตกตัวของยูเรเนยี มหน่งึ นิวเคลยี สจะให้พลงั งาน นิวเคลยี รป์ ระมาณ 200 MeV พลงั งานทีป่ ล่อยออกมานับว่าสงู มากเม่ือเทยี บกับปฏกิ ริ ิยานวิ เคลียร์อ่นื ๆ ซง่ึ ให้ พลงั งานเพยี ง 10-20 MeV เท่าน้ัน สาหรบั การนาพลงั งานน้ไี ปใช้ในกรณีต่างๆ จะกลา่ วในหวั ข้อตอ่ ไป 20.6.2 ฟวิ ชนั เราทราบมาแลว้ ว่า ถ้าสามารถทาให้นวิ เคลยี สขนาดเลก็ สองนวิ เคลียสรวมกนั เปน็ นวิ เคลยี สขนาดใหญ่ ขน้ึ พลังงานยดึ เหนย่ี วจะมีคา่ สูงขนึ้ ปฏกิ ิรยิ าท่ีเกิดจากการหลอมรวมนิวเคลียสของธาตุเบาสองธาตุ แลว้ ทาให้ เกดิ นิวเคลียสท่หี นกั กวา่ เดิม และมีการปล่อยพลงั งานนวิ เคลียรอ์ อกมาเรยี กวา่ ฟิวชนั (fusion) ไฮโดรเจนเปน็ ธาตทุ เ่ี บาทีส่ ดุ และปฏกิ ิริยาของฟิวชนั ของไฮโดรเจน คือ แหล่งกาเนดิ พลงั งานท่ีสาคัญ ของดวงอาทติ ย์และดาวฤกษ์อ่นื ๆ โดยเฉพาะบนดวงอาทติ ยน์ น้ั พบวา่ ประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮเี ลียมเป็น ส่วนใหญ่ เมื่อโปรตอน 4 ตวั หลอมรวมกนั เปน็ นวิ เคลียสของฮีเลียม จะมีการปล่อยพลงั งานออกมาและการ ปล่อยอนภุ าคทม่ี ีมวลเทา่ กบั อิเลก็ ตรอนแต่มีประจุไฟฟา้ +1e เรียกว่า โพซิตรอน (positron) ออกมาด้วย พลังงานนิเคลยี ร์ทีเ่ กดิ จากปฏิกริ ิยาฟิวชันนี้สูงถึง 26 MeV การเกิดปฏกิ ริ ยิ าดังกลา่ วมหี ลายขนั้ ตอน เขียนเปน็ สมการไดด้ ังน้ี 11H → 24He + 210e + 26MeV พลังงาน 26 MeV คานวณได้จากมวลท่หี ายไปในปฏิกริ ยิ า ข้อมูลนี้ทาให้นกั วิทยาศาสตร์ร้วู า่ มวลของ ดวงอาทิตย์นน้ั ลดลงอยา่ งช้าๆ บนโลกเรานน้ั ฟวิ ชันของไฮโดรเจนสามารถเกิดขึ้นในห้องปฏิบัตกิ ารเท่าน้ัน โดยการหลอมรวม ดิวเทอรอนไปเปน็ นิวเคลยี สของฮเี ลยี ม ดงั ปฏกิ ิรยิ าต่อไปนี้ 2121HHe++12H12H→→31H23H+e +11H10+n 4.0MeV + 3.3MeV ปฏกิ ริ ยิ าทั้งสองน้ีมโี อกาสเกิดขึ้นเทา่ ๆ กัน ในปฏกิ ิริยาแรกของฟวิ ชนั ของดิวเทอรอน2 ตัว จะให้ ทริทอน ส่วนปฏกิ ริ ิยาทีส่ องจะใหฮ้ เี ลยี ม-3 เมื่อดิวเทอรอนวงิ่ ทริทอนท่ีเกิดจากปฏกิ ิรยิ าแรกหรือฮเี ลยี ม-3 ของ ปฏิกิริยาที่สอง จะเกดิ ฟวิ ชนั ได้เปน็ นวิ เคลียสของฮีเลียม ดงั สมการตอ่ ไปนี้ 13H + 12H → 42He + o1n + 17.6MeV 32He + 24H → 24He + 11H + 18.3MeV ทรทิ อน คือ นิวเคลียสของธาตทุ ริเทยี ม ซึง่ เปน็ ไฮโซโทปหนึง่ ของไฮโดรเจนทไ่ี ม่มีในธรรมชาติมนั จะสลายไปเป็นฮเี ลียม-3 โดยให้รงั สบี ีตา ทรทิ อนมคี รึง่ ชวี ิตโดยประมาณ 12 ปี

26 พลงั งานรวมที่ไดจ้ ากฟิวชนั ของดวิ เทอรอน 6 ตวั จากปฏกิ ิริยาทัง้ 4 ข้างตน้ เทา่ กับ 43.2 MeV สาหรับดิวเทอเรียม 1 กิโลกรัม จะให้พลังงาน 3.45 × 1014 จลู พลังงานปรมิ าณน้นี ่าสนใจมาก เพราะในนา้ 1 ลติ ร มดี วิ เทอเรยี มประมาณ 1/32 กรัม ซึง่ ให้พลงั งานมากถึง 1.1 × 1014 จูล พลังงานฟิวชนั จาก ดวิ เทอรอนจงึ เทยี บไดก้ ลับพลงั งานจากน้ามันเชอ้ื เพลงิ 300 ลิตร เพราะได้มีการประมาณกนั ว่า โลกเรามี ดวิ เทอเรยี มมากถึง 1017 กโิ ลกรมั ดังน้ันพลงั งานจากฟิวชันของดวิ เทอรอนจะทาใหม้ นุษย์มพี ลังงานใช้ไปเปน็ เวลานานมาก ในปจั จุบนั นกั วิทยาศาสตรส์ ามารถแยกดิวเทอรอนออกจากน้าได้ง่ายและค่าใชจ้ ่ายไม่สงู แต่ ปัญหาท่นี ักวทิ ยาศาสตรย์ ังค้นควา้ วิจัยอยคู่ ือ หาวิธีผลิตพลงั งานจากฟิวชนั ท่ีสามารถควบคมุ และนาไปใช้ ประโยชน์ได้ 20.7 ประโยชนข์ องกมั มนั ตภาพรงั สแี ละพลงั งานนวิ เคลยี ร์ 20.7.1 ประโยชน์ของกัมมนั ตภาพรังสี การศกึ ษาธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนดิ ทาใหร้ ู้สมบัติของแต่ละธาตุ เชน่ ชนดิ รังสีท่ไี ด้จากการสลาย ค่าครง่ึ ชีวิตและอตั ราการแผร่ ังสเี ปน็ ตน้ ปจั จุบันมกี ารนาสมบตั ิเหล่านไ้ี ปใช้ประโยชน์หลายๆด้านการ เกษตรกรรม การแพทย์ อุตสาหกรรมสง่ิ แวดล้อมรวมถึงการสารวจทางโบราณคดแี ละธรณีวิทยา เช่น การหา อายุวัตถุโบราณ ดงั ต่อไปนี้ 1. การใชก้ ัมมนั ตภาพรังสีเกษตรกรรม ธาตุกัมมันตรงั สีสลายอยู่ตลอดเวลาโดยไม่ขนึ้ กับอทิ ธิพลภายนอกหรือสิง่ แวดล้อม จงึ ตรวจตดิ ตามธาตุ กัมมันตรงั สีมาใชป้ ระโยชนใ์ นการพฒั นาการเกษตรได้เป็นอยา่ งดี ตวั อย่างเช่น การวิจยั อัตราการดดู ซึมปุ๋ยของ ต้นไม้ ถา้ ใสป่ ุ๋ยทมี่ ธี าตุกัมมนั ตรังสี เชน่ ฟอสฟอรัส-32 ปะปนอยู่ลงในดินบริเวณใกล้ต้นไม้ รากตน้ ไม้จะดูดซึม ธาตุกัมมนั ตรังสเี ข้าไปแล้วส่งต่อไปยังลาตน้ และไปอยู่ทีใ่ บเพื่อการปรุงอาหาร การตรวจวัดปริมาณรังสีท่ีใบ ดงั รปู ท่ี 20.24 จะทาใหท้ ราบปริมาณปุย๋ ท่ีอยทู่ ่ีใบ จงึ สามารถหาอตั ราการดูดซึมของต้นไม้ได้ รูป 20.24 การตรวจวดั ปรมิ าณการแผร่ ังสีของป๋ยุ ทีใ่ บ

27 การใช้ประโยชน์ของกมั มนั ตภาพรังสีในด้านสัตว์เลย้ี ง ได้แก่ การศกึ ษาการผลิตไข่และน้านมของสตั ว์ เช่น เปด็ ไก่ และโคนม โดยการใชไ้ อโอดนี -131 ธาตกุ ัมมันตรังสีผสมในอาหารสัตว์ และติดตามวัดปริมาณ ไอโอดนี -131 ของร่างกายสตั ว์ ยงั พบอกี วา่ รังสจี ากธาตกุ มั มันตรังสสี ามารถทาใหส้ ิ่งมชี ีวิตกลายพนั ธุไ์ ด้ เชน่ รงั สีจากธาตกุ มั มันตรังจะทาให้โครโมโซมในเมล็ดพนั ธุพ์ ชื เปล่ยี นไป เม่ือนาเมลด็ พนั ธ์ุพืชไปเพาะก็จะได้พืชพันธุ์ ใหม่ โอกาสท่ีจะได้พชื พันธุ์ดโี ดยวนิ ้ีมนี ้อยปจั จุบนั มีพชื พันธุ์ดีหลายชนิดท่ีเกดิ จากวิธกี ารน้ี ยังพบว่า รังสีจาก ธาตุกมั มันตรงั สีช่วยกาจดั แมลงได้ โดยใช้รงั สีอาบแมลงหรอื ตัวอ่อนของแมลงซง่ึ อยาในอาหารโดดยตรง เพือ่ ทาใหอ้ ะตอมในของเซลลแ์ มลงแตกตวั เป็นไอออน ทาใหแ้ มลงตายในทสี่ ดุ และอีกวธิ ีหน่งึ คือนาเอาเฉพาะแมลง ตัวผ้มู าอาบรงั สเี พื่อให้เป็นหมันจะได้ไม่สามารถแพรพ่ นั ธไุ์ ด้อกี ประโยชนอ์ กี อยา่ งหนึง่ ของการใชร้ งั สีจากธาตกุ ัมมนั ตรงั สีคือ การถนอมอาหาร เพราะรงั สสี ามารถฆา่ เชื้อแบคทเี รยี เชื้อรา และยสี ตท์ ่ีมอี ยู่ในอาหาร และปริมาณรงั สที ่ีใชใ้ นการถนอมอาหารแตล่ ะชนดิ จะแตกต่าง กัน ดงั น้ัน ในการนาอาหารที่อาบรังสมี าบริโภคจะต้องแน่ใจก่อนวา่ ไม่มีอนั ตรายใดๆตามขอ้ กาหนดความ ปลอดภยั ของอาหารฉายรงั สี อาหารใดๆท่ีผ่านการฉายรงั สีในปริมาณเฉล่ยี ไม่เกนิ 10 กโิ กเกรย์ ไม่ก่อให้เกิด โทษอนั ตราย และอาหารทีผ่ ่านการฉายรังสีจะมีสัญลกั ษณ์ดังรูป 20.25 ติดบนผลิตภณั ฑ์ เพอ่ื ใหผ้ ู้บริโภคได้ ทราบ และมโี อกาสเลอื กซื้อ รูป 20.25 อาหารทีผ่ ่านการฉายรังสแี ละสัญลักษณ์แสดงอาหารท่ผี า่ นการฉายรงั สี 2. การใชก้ มั มนั ตรังสใี นการแพทย์ รงั สีจากธาตุกมั มันตรงั สีสามารถตรวจและรักษาโรคไดห้ ลายชนดิ เช่น การใชร้ งั สแี กมมาจากโคบอลต์- 60 ในการรักษาโรคมะเร็ง โดยฉายรังสีแกมมาเข้าไปทาลายเซลล์มะเรง็ หรือการใช้รงั สีแกมมาจากโซเดยี ม-24 อยู่ในรปู ของเกลือโซเดยี มคลอไรดใ์ นการศึกษาลักษณะการหมนุ เวยี นของโลหติ โดยการฉีดสารดงั กลา่ วเขา้ ไป ในเสน้ เลอื ด เพื่อดวู า่ มีการอดุ ตันหรือการหมุนเวยี นของเลือดของระบบการไหลเวยี นของโลหติ และการใช้รังสี แกมมาจากไอโอดนี -131 มนการตรวจดกู ารทางานและรักษาโรคจากต่อมไทรอยด์ 3. การใช้กัมมันตภาพรงั สีในด้านอตุ สาหกรรม การใชร้ ังสจี ากธาตกุ ัมมนั ตรงั สีในอุตสาหกรรมทสี่ าคัญพอสรุปไดด้ งั นี้ ในการควบคุมความหนาแน่นของแผ่นโลหะให้สมา่ เสมอตลอดแผ่น ทาไดโ้ ดยการหยดุ เครือ่ งรีดแผ่น เปน็ คร้งั ๆไป แต่การเช่นนีท้ าให้อัตราการผลติ ตา่ การใชร้ งั สีจากธาตกุ ัมมันตรังสจี ะชว่ 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 รเพื่อ ขนส่งสินค้าระหว่างทวีป เนอื่ งจากการใช้พลงั งานนิวเคลียร์ไมต่ ้องการเช้ือเพลิงปริมาณมาก ดงั นัน้ เน้ือท่ีทีต่ ้อง 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 ใชไ้ ด้ 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 ดิน หนิ 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 มีปริมาณแตกตา่ งกันไปตามสภาพภูมิศาสตร์ เชน่ มีปรมิ าณมาก ในบริเวณท่เี ป็นแหมืองแร่ เหมอื งนา้ มนั และแหล่งแก๊สธรรมชาติ เป็นตน้ นอกจากแหล่งกาเนดิ รา่ งกายของมนุษย์สัตว์และพชื ก็มีไอโซโทปกมั มันตรังสีอยู่ในรา่ งกายตาม ธรรมชาติดว้ ย ได้แก่ ทริเทยี ม คาร์บอน-14 โพแทสเซยี ม-40 ทอเรยี ม-232 ยูเรเนยี ม-238 ทผ่ี ่านจาก สิ่งแวดลอ้ มรอบตัวเขา้ ส่รู ่างกาย ตามปกติร่างกายมนุษยจ์ ะรบั รังสเี ข้าสรู่ า่ งกายจากธรรมชาติโดยเฉล่ีย ประมาณร้อยละ 85 ท่เี หลอื ร้อยละ 15 เป็นรังสีท่มี นษุ ย์สร้างขน้ึ มา โดยรังสีจากสิ่งทีม่ นุษย์สรา้ งข้นึ จะมี ปริมาณแตกต่างกนั ไปตามสภาพที่ได้รบั เชน่ จากอาหาร เครอื่ งดื่ม และยาชนดิ ตา่ งๆ รวมทัง้ การรับรังสเี อ็กซ์ จากการตรวจร่างกาย จากจอภาพของโทรทศั น์และคอมพิวเตอร์ การได้รบั รงั สจี ากฝนุ่ กมั มันตรงั สที ่ีฟุ้งมาจาก การทดลองระเบิดนวิ เคลียร์ การได้รับปรมิ าณรงั สคี อสมิกเพ่ิมขน้ึ จากการข้นึ ยอดเขาสูง รวมทง้ั การเดินทางโดย เคร่ืองบนิ ท่รี ะดับสูง 20.8.2 อนั ตรายจากรังสี ในสมยั สงครามโลกครั้งที่2 มีการใช้ระเบิดปรมาณูทาลายศัตรู พลังงานอนั มหาศาลของปฏิกริ ิยา นิวเคลียรฟ์ ชิ ชันท่ไี ดท้ าลายสง่ิ ก่อสรา้ งและชวี ิตมนุษยเ์ ป็นจานวนมาก เดิมท่ีคดิ กนั มนุษย์ตายเพราะแรงเท่านัน้ เพราะยังไม่เคยมีการศึกษาผลกระทบของรงั สตี ่อสิง่ มีชวี ติ รวมทงั้ ไม่มีเครื่องมือตรวจสอบรังสีทบ่ี รเิ วณถกู ระเบดิ และในร่างกายผู้เคราะห์ร้าย แต่หลงั จากการระเบดิ ของระเบิดปรมาณูประมาณ 1 ปี พบว่ามคี นจานวน มากเสียชวี ติ ดว้ ยโลกมะเร็งเพราะไดร้ ับรงั สี ด้วยเหตุนี้ โลกจึงต้องเรมิ ตืน่ ตวั ศกึ ษาผลกระทบของรังสีทมี่ ตี ่อชีวิต เมอ่ื รงั สีจากธาตุกมั มนั ตรังสีผา่ นเขา้ ไปในเนอ้ื เย่ือของส่งิ ชวี ิต จะทาใหเ้ นื้อเยื่อเปล่ียนแปลง คอื อาจทา ให้เน้อื เย่ือตายทนั ที หรือเปล่ียนแปลงไป ซง่ึ อาจนาไปสูส่ าเหตขุ องการเป็นโรคมะเรง็ ได้ รปู 20.29 แสดง โครงสร้างดเี อน็ เอก่อนและหลังได้รบั รงั สี จะเห็นวา่ โครงสรา้ งดีเอ็นเอเปลี่ยนไป รปู 20.29 โครงสร้างดีเอน็ เอก่อนและหลังไดร้ บั 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 บริเวณกวา้ งเป็นเหตุให้อาหารประเภทเน้ือสตั ว์ นม และพชื ผักในบริเวณนั้นมีการปนเป้ือนกมั มันตรงั สสี ูงกวา่ ปกติ จนเกินระดับความปลอดภยั ทมี่ นุษยจ์ ะได้รบั และหลายประเทศไดง้ ดซือ้ อาหารจากแหล่งท่ีมีกัมมันตรงั สี สูง เพราะถา้ บริโภคเขา้ ไปจะเป็นอนั ตรายต่อร่างกาย นอกจากทีก่ ลา่ วมา การปนเป้ือนรังสอี าจเกิดจากโรงพยาบาลท่ีมีการบาบดั ดว้ ยรงั สี จากโรงงานทีใ่ ช้ เคร่ืองปฏกิ รณ์นวิ เคลียร์ และโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เพราะสถานทเ่ี หล่าน้มี สี ิ่งของท่ปี นเปื้อนด้วยสารกมั มนั ตรังสี รวมอยดู่ ว้ ย หากไมม่ ีระบบกาจดั ของเสียท่ีถกู ต้องและเหมาะสม ก็จะทาให้มกี ารแพรก่ ระจายกัมมันตรังสี ซ่ึง จะทาให้สภาพแวดลอ้ มเสยี หาย และเปน็ อันตรายต่อชวี ิตมนุษย์ โดยปกติสารกมั มันตรงั สีเมอื่ หมดอายุการใช้ งานในด้านการแพทยแ์ ละอุตสาหกรรมแลว้ จะถูกเก็บใสก่ ล่องโลหะทีผ่ นกึ ปิดแน่นหนา แล้วนาไปฝังกลบเพ่ือให้ รงั สีสลายไปตามธรรมชาติ 20.8.3 การป้องกนั อนั ตรายจากรังสี อนั ตรายจากรงั สีนั้นขึ้นอยู่กบั หลายปัจจัย เชน่ ปรมิ าณพลงั งานจากรงั สีต่อมวลของเน้อื เยื่อทีถ่ ูกรังสี และความสาคญั ของอวัยวะส่วนทถ่ี ูกรังสี ดังนนั้ ผทู้ ีจ่ ะนาสารกมั มันตรังสีไปใช้ประโยชน์ไม่ว่าในด้านการแพทย์ การเกษตร อุตสาหกรรม ตลอดจนการค้นควา้ ทางดา้ นวิทยาศาสตร์ จะต้องมีความรู้เร่ืองรังสเี ปน็ อยา่ งดี คือ รจู้ ักวธิ ใี ชอ้ ยา่ งปลอดภัย และวิธีปอ้ งกนั อันตรายจากรังสี หลักการป้องกนั อันตรายจากรังสี 1. เนื่องจากปริมาณรงั สีทรี่ า่ งกายไดร้ บั ขึ้นกับเวลา เช่น ถ้าเดินไปในบริเวณที่มีรงั สีนาน 20 นาที จะ ไดร้ บั รังสีประมาณ 2 เท่า ของผู้ที่เข้าไปในบริเวณนน้ั นานเพียง 10 นาที ดังนัน้ ถ้าจาเป็นตอ้ งเข้าใกล้ บริเวณทีม่ ธี าตุกัมมนั ตรังสคี วรใช้เวลาสน้ั ท่สี ดุ เทา่ ท่ีจะทาได้ 2. เนื่องจากปริมาณรงั สีจะลดลงถ้าบริเวรนั้นอยู่ไกลจากแหลง่ กาเนิดรังสีมากขนึ้ ดงั นัน้ จึงควรอยูห่ ่าง บรเิ วณที่มธี าตกุ ัมมันตรงั สีให้มากทส่ี ุดเท่าที่จะมากได้ 3. เนือ่ งจากรังสตี า่ งชนิดกนั มีอานาจในการทะลุผ่านวัสดุไดด้ ีตา่ งกนั ดังน้นั จงึ ควรใช้วัสดทุ ี่รงั สที ะลุผ่าน ได้ยากมาเปน็ เครื่องกาบัง เช่น ตะก่วั หรอื คอนกรีต ซ่ึงสามารถเปน็ เคร่ืองกาบงั รังสีแกมมาและรังสี บีตาได้ดี และนยิ มใชน้ ้ามันเป็นเคร่ืองกาบงั นวิ ตรอน ในประเทศไทย เมอ่ื วนั ท่ี 18 กมุ ภาพันธ์ พ.ศ.2543 คนเก็บของเก่าเพือ่ นาไปขายไดน้ ากล่องโลหะท่ี บรรจุโคบอลต์-60 ไปแยกชิน้ ส่วนเพ่ือนาโลหะไปขาย ทาใหร้ งั สกี ระจายไปถกู ตนเองและผอู้ นื่ เป็นเหตุให้มี ผูเ้ สยี ชวี ิตและเจบ็ ป่วยจานวนหนึง่

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